物理課本徹底錯了？物質不止三態，束縛超冷液體藏玄機

哈嘍，大家好，今天小墨這篇評論，主要來分析金屬冷卻現奇觀，原子竟會“定格”，新相態顛覆物理認知。

學過物理的朋友都知道，物質有固態、液態、氣態三種基本狀態。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不會停下。

但最近一項研究卻打破了這個常識。諾丁漢大學和德國烏爾姆大學的研究人員，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，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，還創造出了一種全新的物質相態。

從高中物理課本到大學實驗室，物質的三態分類一直是基礎知識點。固體中的原子在固定位置振動，液體中的原子持續流動，氣體中的原子自由飛舞。

這種分類確實簡潔明了，卻掩蓋了物質在相變臨界點附近的復雜行為。比如水結冰的過程，我們只看到液態變成固態，卻不知道原子在這個過程中到底經歷了什么。長期以來，科學家們都想追蹤這些原子的運動軌跡，但一直沒能實現。

國內某材料實驗室曾做過一個簡單實驗。他們將普通金屬銅加熱至熔融狀態，再讓其自然冷卻。按照傳統理論，銅原子會在冷卻時有序排列成晶體結構。但實驗中卻發現，部分銅原子的排列方式毫無規律，當時研究人員只能將其歸為實驗誤差。

現在看來，這很可能就是“束縛超冷液體”的早期雛形。只是當時技術有限，沒能捕捉到原子靜止的關鍵畫面。

諾丁漢大學和德國烏爾姆大學的研究團隊，用SALVE專用電子顯微鏡破解了這個難題。這臺顯微鏡能以原子級分辨率，實時觀察納米尺度的物理過程。

實驗裝置的核心是一張原子級薄的碳片也就是石墨烯，它被放在熔融的鉑、金和鈀納米液滴下方。石墨烯不僅是樣品支撐平臺，還充當了“納米加熱爐”，可以通過精確控制溫度，調控金屬液滴的熔化和凝固過程。

德國烏爾姆大學材料科學家克里斯托弗·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分布，而是在液態金屬周圍形成了清晰可見的環狀結構。

更有趣的是，這種現象和量子力學中的波粒二象性有相似之處。烏爾姆大學光學科學家烏特·凱澤指出，這種混合狀態下，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“物質的新相”也就是“束縛超冷液體”，這種新相態同時具備固體的有序性和液體的流動性。

無獨有偶，德國卡爾斯魯厄理工學院化學家弗蘭克·比德曼團隊，在2025年12月4日也有類似發現。他們通過計算機模擬發現，當水被限制在分子間無法自由流動時，會形成“高能量”狀態。這種受限水雖靜止卻蘊含巨大能量，一旦被其他分子置換便會釋放能量。

研究團隊通過系統性實驗發現，靜止原子數量能決定最終固體形態。靜止原子數量越多，凝固過程就越不穩定，最終會形成不含任何晶體結構的非晶態固體。這種非晶態金屬通常被稱為“金屬玻璃”，既有金屬的強度，又有玻璃的脆性。

更令人驚奇的是，當靜止的原子被擾亂時，釋放出的應力足以使金屬轉變為正常的晶體形態。這意味著通過精確控制靜止原子的數量和分布，材料工程師可以“編程”金屬的最終微觀結構。

這種控制能力的潛在應用極為廣泛。在航空航天領域，工程師可以設計具有特定晶體取向的渦輪葉片，以提高其高溫強度和抗疲勞性能。在電子工業中，精確控制金屬薄膜的晶體結構可以改善芯片的導電性能和可靠性。

研究團隊特別強調，這種技術為更有效地利用稀有金屬于清潔技術，比如能源轉換和存儲，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，包含數千到數萬個原子。將這種原子級控制擴展到宏觀材料，仍然是一個巨大的挑戰。

“束縛超冷液體”的發現，徹底顛覆了我們對物質狀態的傳統認知。它不僅為材料科學開辟了新方向，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，相信未來這些技術能真正走進現實，為人類生活帶來巨大改變。