Впервые пойманы перепрыгивающие атомы в твёрдом теле

В качестве примера авторы работы берут золотое обручальное кольцо. Не правда ли, сложно представить, что за одну секунду внутри него миллиарды атомов меняются местами? (иллюстрация с сайта physorg.com)

Несмотря на все теоретические выкладки, учёным до сих пор не удавалось запечатлеть процесс перепрыгивания атомов между равновесными положениями кристаллической решётки. Австрийские специалисты воспользовались современными источниками рентгеновского излучения и наконец-то изменили сложившееся положение дел.

Внутри любого твёрдого тела атомы активно движутся, причём там происходят не только всем известные тепловые колебания относительно положения равновесия, но и эпизодические перескоки атомов между позициями. Например, между своими «законными» местами в кристаллической решётке. Однако ранее об этом учёные только догадывались. Теперь же появилась возможность подглядеть за происходящим.

Физики из университета Вены (Universität Wien) придумали, как проследить за движением атомов внутри сплава меди и золота (Cu90Au10) при помощи интенсивных рентгеновских лучей, получаемых на Европейском синхротроне (European Synchrotron Radiation Facility) в Гренобле. Пока такое «чистое» (прошедшее через систему особых фильтров) излучение может быть получено только в трёх местах в мире.

Новый универсальный метод учёные назвали корреляционная спектроскопия рентгеновских фотонов (X-ray photon correlation spectroscopy). О предыдущей разработке в этой области мы как-то рассказывали.

В ходе экспериментов австрийцы выяснили, что при температуре 270 градусов Цельсия каждый атом меняет своё местоположение в решётке в среднем раз в час. При этом увеличение температуры всего на 10 градусов приводит к удвоению частоты прыжков, уменьшение (на те же 10 градусов) — к сокращению в два раза. Исследователям удалось также определить направление прыжков атомов.

Физикам и химикам новый инструмент нужен для того, чтобы лучше исследовать и понять процессы старения материалов на уровне атомов. В ходе их постоянного беспорядочного движения свойства материи постепенно меняются. Изучение этих явлений позволит лучше предсказать поведение того или иного материала (например важных технических металлических сплавов) или конструкций из него.

Для улучшения методики австрийские учёные планируют воспользоваться строящимся в Гамбурге Европейским рентгеновским лазером на свободных электронах (European X-ray Free-Electron-Laser). «Этот лазер откроет целый диапазон новых впечатляющих возможностей», — радуется одна из участниц нынешней работы Мари-Луизе Лайтнер (Marie-Luise Leitner). В будущем он позволит сходным образом изучать не только сравнительно простые вещества, но, к примеру, и жизненно важные белки.

Посвящённая данному исследованию статья опубликована в журнале Nature Materials. Читайте также о том, как учёные «увидели» вращающийся рост нанотрубок и движение электронов в молекуле, а ещё проследили за эволюцией трещины в толще металла.



Физики расшифровали структуру цемента

15 сентября 2009

Звёзды-детекторы помогут учёным ухватить неуловимые волны

15 сентября 2009

Учёные хотят создать вирус Шрёдингера

14 сентября 2009

Физики получили плоский лёд в отсутствие давления

11 сентября 2009

Лазером впервые переохладили очень плотный газ

9 сентября 2009