Op nanoschaal kunnen vaste en vloeibare fasen van gallium naast elkaar bestaan over een temperatuurtraject van 620 graden Celsius. Theoretisch was zoiets al voorspeld maar het is nu ook experimenteel waargenomen en blijkt nog spectaculairder dan gedacht, schrijft een internationaal gezelschap in Nature Materials.

De persvoorlichter van Duke University, thuishaven van laatste auteur April Brown, vergelijkt het met ijsblokjes die na uren in de brandende zon nog steeds intact in je limonade drijven.

Het effect treedt op wanneer je de nanodeeltjes heel voorzichtig opbouwt via molecular beam epitaxy, onder hoogvacuüm maar wel bij kamertemperatuur. De ondergrond moet daarbij bestaan uit saffier, een vorm van aluminiumoxide; op glas of silicium werkt het niet. De geometrie van het saffier-kristalrooster is namelijk dusdanig dat het gallium in de zogeheten gamma-fase wordt gedwongen, een kristalvorm die normaal alleen bij lage temperaturen stabiel is.

Er treedt dan een ingewikkeld krachtenspel op, onder meer tussen gallium en saffier, en zodra de deeltjes groter worden dan 50 nm diameter zie je dat de buitenste laag niet meer uitkristalliseert maar vloeibaar blijft. Alles bij elkaar blijkt dat energetisch gunstiger. Dit evenwicht tussen een vaste kern en een vloeibare schil blijkt in stand te blijven bij temperaturen tussen 180 en 800 K. Dat die temperaturen zo ver uit elkaar liggen, had niemand verwacht.

Onder een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) blijk je dit uitstekend te kunnen waarnemen. Dat die ook onder hoogvacuüm werkt, is bij vloeibare metalen voor de verandering geen bezwaar.

De optische eigenschappen van de vaste en vloeibare fase zijn sterk verschillend. Als er praktische toepassingen bestaan voor dit soort halfvloeibare deeltjes, moet je het waarschijnlijk in die richting zoeken. Brown, van huis uit elektronica-ingenieur, denkt onder meer aan ‘plasmonics’.

Daarnaast gaat ze haar proefopzetje gebruiken om te zoeken naar andere nanodeeltjes met onverwacht thermodynamisch gedrag.

bron: Duke University