物理課本徹底錯(cuò)了？物質(zhì)不止三態(tài)，束縛超冷液體藏玄機(jī)

哈嘍，大家好，今天小墨這篇評論，主要來分析金屬冷卻現(xiàn)奇觀，原子竟會“定格”，新相態(tài)顛覆物理認(rèn)知。

學(xué)過物理的朋友都知道，物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種基本狀態(tài)。我們一直覺得，液體里的原子肯定都在不停流動，就像河里的水流永遠(yuǎn)不會停下。

但最近一項(xiàng)研究卻打破了這個(gè)常識。諾丁漢大學(xué)和德國烏爾姆大學(xué)的研究人員，通過超高分辨率電子顯微鏡觀察到了神奇的一幕。

熔融的鉑金冷卻時(shí)，部分原子居然完全靜止不動，就像舞池中突然定格的舞者。這些靜止的原子，還創(chuàng)造出了一種全新的物質(zhì)相態(tài)。

從高中物理課本到大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，物質(zhì)的三態(tài)分類一直是基礎(chǔ)知識點(diǎn)。固體中的原子在固定位置振動，液體中的原子持續(xù)流動，氣體中的原子自由飛舞。

這種分類確實(shí)簡潔明了，卻掩蓋了物質(zhì)在相變臨界點(diǎn)附近的復(fù)雜行為。比如水結(jié)冰的過程，我們只看到液態(tài)變成固態(tài)，卻不知道原子在這個(gè)過程中到底經(jīng)歷了什么。長期以來，科學(xué)家們都想追蹤這些原子的運(yùn)動軌跡，但一直沒能實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)某材料實(shí)驗(yàn)室曾做過一個(gè)簡單實(shí)驗(yàn)。他們將普通金屬銅加熱至熔融狀態(tài)，再讓其自然冷卻。按照傳統(tǒng)理論，銅原子會在冷卻時(shí)有序排列成晶體結(jié)構(gòu)。但實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)，部分銅原子的排列方式毫無規(guī)律，當(dāng)時(shí)研究人員只能將其歸為實(shí)驗(yàn)誤差。

現(xiàn)在看來，這很可能就是“束縛超冷液體”的早期雛形。只是當(dāng)時(shí)技術(shù)有限，沒能捕捉到原子靜止的關(guān)鍵畫面。

諾丁漢大學(xué)和德國烏爾姆大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，用SALVE專用電子顯微鏡破解了這個(gè)難題。這臺顯微鏡能以原子級分辨率，實(shí)時(shí)觀察納米尺度的物理過程。

實(shí)驗(yàn)裝置的核心是一張?jiān)蛹壉〉奶计簿褪鞘环旁谌廴诘你K、金和鈀納米液滴下方。石墨烯不僅是樣品支撐平臺，還充當(dāng)了“納米加熱爐”，可以通過精確控制溫度，調(diào)控金屬液滴的熔化和凝固過程。

德國烏爾姆大學(xué)材料科學(xué)家克里斯托弗·萊斯特解釋說，他們利用石墨烯加熱金屬顆粒，隨著顆粒熔化，原子開始快速運(yùn)動。

但令人驚訝的是，一些原子居然保持靜止。這些靜止的原子并非隨機(jī)分布，而是在液態(tài)金屬周圍形成了清晰可見的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

更有趣的是，這種現(xiàn)象和量子力學(xué)中的波粒二象性有相似之處。烏爾姆大學(xué)光學(xué)科學(xué)家烏特·凱澤指出，這種混合狀態(tài)下，原子部分像固體中靜止的原子，部分又像液體中活躍流動的原子流。她將其稱為“物質(zhì)的新相”也就是“束縛超冷液體”，這種新相態(tài)同時(shí)具備固體的有序性和液體的流動性。

無獨(dú)有偶，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院化學(xué)家弗蘭克·比德曼團(tuán)隊(duì)，在2025年12月4日也有類似發(fā)現(xiàn)。他們通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水被限制在分子間無法自由流動時(shí)，會形成“高能量”狀態(tài)。這種受限水雖靜止卻蘊(yùn)含巨大能量，一旦被其他分子置換便會釋放能量。

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靜止原子數(shù)量能決定最終固體形態(tài)。靜止原子數(shù)量越多，凝固過程就越不穩(wěn)定，最終會形成不含任何晶體結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。這種非晶態(tài)金屬通常被稱為“金屬玻璃”，既有金屬的強(qiáng)度，又有玻璃的脆性。

更令人驚奇的是，當(dāng)靜止的原子被擾亂時(shí)，釋放出的應(yīng)力足以使金屬轉(zhuǎn)變?yōu)檎５木w形態(tài)。這意味著通過精確控制靜止原子的數(shù)量和分布，材料工程師可以“編程”金屬的最終微觀結(jié)構(gòu)。

這種控制能力的潛在應(yīng)用極為廣泛。在航空航天領(lǐng)域，工程師可以設(shè)計(jì)具有特定晶體取向的渦輪葉片，以提高其高溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。在電子工業(yè)中，精確控制金屬薄膜的晶體結(jié)構(gòu)可以改善芯片的導(dǎo)電性能和可靠性。

研究團(tuán)隊(duì)特別強(qiáng)調(diào)，這種技術(shù)為更有效地利用稀有金屬于清潔技術(shù)，比如能源轉(zhuǎn)換和存儲，鋪平了道路。

不過目前研究僅限于納米尺度的金屬液滴，直徑通常只有幾十納米，包含數(shù)千到數(shù)萬個(gè)原子。將這種原子級控制擴(kuò)展到宏觀材料，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

“束縛超冷液體”的發(fā)現(xiàn)，徹底顛覆了我們對物質(zhì)狀態(tài)的傳統(tǒng)認(rèn)知。它不僅為材料科學(xué)開辟了新方向，還讓我們看到了微觀世界的無窮奧秘。隨著研究的不斷深入，相信未來這些技術(shù)能真正走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，為人類生活帶來巨大改變。