Metallo liquido o solido? Entrambi, contemporaneamente: lo stato ibrido che sfida la fisica

La scienza ci insegna che i materiali possono possedere tre stati fisici: solido, liquido e gassoso. Tuttavia, un gruppo di ricercatori dell'Università di Nottingham e dell'Università di Ulm in Germania hanno scoperto un comportamento anomalo dei metalli che consente allo stato solido e a quelli liquido di coesistere all'interno dello stesso materiale.

Come sappiamo, raggiunto il cosiddetto "punto di fusione", i metalli passano dallo stato solido a quello liquido. I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di tre diversi metalli: platino, oro e palladio. I tre metalli sono stati disposti su un foglio di grafene, un materiale "atomicamente sottile".

Il grafene fungeva sia da supporto che da riscaldatore. Quando queste nanoparticelle hanno iniziato a riscaldarsi e passare allo stato liquido, gli atomi hanno iniziato a muoversi rapidamente, come previsto. Tuttavia, grazie alla microscopia elettronica a trasmissione a basso voltaggio, i ricercatori hanno identificato un comportamento anomalo degli atomi.

Durante il riscaldamento, una parte degli atomi rimaneva ancorata al supporto in corrispondenza di difetti puntuali del grafene. Questo legame è rimasto stabile anche a temperature elevate. Così, attraverso un fascio di elettroni, hanno aumentato artificialmente i difetti del grafene.

Con pochi atomi fissi, il liquido forma un cristallo che cresce fino a occupare l'intera nanoparticella. Quando però il numero è aumentato, la cristallizzazione è risultata bloccata. Gli atomi immobili hanno creato un anello che circonda il liquido, formando una sorta di recinto atomico.

All'interno di questo "recinto" il metallo è rimasto liquido a temperature molto inferiori al punto di solidificazione. Nel caso del platino, lo stato liquido persiste fino a circa 350 gradi Celsius, oltre 1.000 gradi sotto il valore atteso. Solo superata una soglia critica, il materiale solidifica, ma assume una struttura amorfa invece di quella cristallina.

Questo stato amorfo resta instabile e dipende dal confinamento degli atomi fissi. La rimozione del recinto libera la tensione interna e consente al metallo di tornare alla struttura cristallina tradizionale. Gli scienziati descrivono questo comportamento come una combinazione di proprietà tipiche di solidi e liquidi nello stesso materiale.

La ricerca apre prospettive interessanti anche sul piano applicativo. Il platino su carbonio rappresenta uno dei catalizzatori più utilizzati al mondo e la presenza di una fase liquida confinata potrebbe modificare l'interpretazione dei processi catalitici. I ricercatori hanno ipotizzato catalizzatori più efficienti e longevi, con potenziali benefici per tecnologie di conversione e accumulo energetico.

Si tratta inoltre della prima dimostrazione di atomi confinati su scala nanometrica, un risultato che finora aveva riguardato solo fotoni ed elettroni. Il controllo della posizione degli atomi ancorati potrebbe permettere in futuro la realizzazione di strutture più complesse e migliorare l'uso dei metalli rari in ambito industriale e ambientale.