ИИ поймал момент истины: кристалл толщиной в один атом показал, что плавление может быть обманом

ИИ отследил движение атомов в сверхтонком кристалле — Венский университет

Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое кажется простым процессом, но в мире материалов, толщина которых приближается к одному атому, всё устроено куда сложнее. Учёные Венского университета зафиксировали поведение атомов при нагреве сверхтонких кристаллов с точностью, недоступной ранее, и результаты заставили пересмотреть классические модели фазовых переходов. Об этом сообщает телеканал "Наука".

Неожиданная логика двумерного плавления

Когда мы говорим о плавлении льда, металлов или пластика, подразумевается резкая потеря упорядоченности — как только достигнута точка плавления, структура рушится. В двумерных кристаллах ситуация иная: атомы могут смещаться только в одной плоскости, что ограничивает их способность формировать привычные решётки и приводит к появлению дополнительного состояния — гексатической фазы.

Это промежуточное состояние обладает гибридной природой: расстояния между атомами становятся нерегулярными, но угловая организация сохраняется, что делает такую фазу уникальным переходным состоянием между твёрдым и жидким.

"Гексатическое состояние — это своего рода шаткий кристалл, ни полностью жидкий, ни полностью твёрдый", — объясняют авторы исследования.

Теория такой фазы существует с 1970-х годов, но прямых наблюдений, подтверждающих её существование в реальных кристаллах, до недавнего времени не было.

Как учёные увидели движение отдельных атомов

Для эксперимента был создан слой йодида серебра толщиной в один атом, зажатый между двумя листами графена. Графен служил и защитой, и термостабильной оболочкой, позволяя повышать температуру до 1100 °C без разрушения структуры. За развитием событий следил сканирующий просвечивающий электронный микроскоп: устройство фиксировало тысячи кадров, на которых ИИ затем определял положение каждого атома.

Использование нейросетей стало ключевым моментом, поскольку вручную отслеживать динамику на столь коротких временных промежутках невозможно. Подобные методы уже применяются в исследованиях, связанных с анализом сложных массивов данных, в том числе благодаря современным системам, таким как технологии ИИ, ускоряющие научный анализ.

Что оказалось не так в прежних моделях

Эксперимент показал, что переход из твёрдого состояния в гексатическую фазу начинается примерно за 25 °C до стандартной точки плавления — что полностью совпало с ранними теоретическими прогнозами. Но дальнейшая трансформация из гексатического состояния в жидкое оказалась неожиданно резкой.

"Без инструментов ИИ было бы невозможно проследить движение всех атомов", — отметил Киммо Мустонен, старший автор исследования.

Такой результат противоречит старой модели, предполагающей плавное, ступенчатое разрушение двумерной структуры. Наблюдение продемонстрировало, что второе "плечо" перехода напоминает трёхмерное плавление — быстрый и однозначный разрыв связей.

"Плавление в ковалентных двумерных кристаллах гораздо сложнее, чем мы думали", — добавил Дэвид Лампрехт из Венского университета и Венского технического университета.

Это означает, что даже для систем, где атомы взаимодействуют в плоскости, механизмы разрушения связей могут быть ближе к трёхмерным материалам, чем считалось.

Почему открытие важно для технологий будущего

Современная электроника стремительно движется к миниатюризации: гибкие дисплеи, носимая электроника, датчики на основе тончайших структур становятся нормой. Чтобы создавать устройства следующего поколения, инженерам нужны точные модели поведения кристаллов на атомном уровне. Именно здесь результаты венских исследователей становятся особенно ценными.

Прямое наблюдение за атомами помогает:

уточнять параметры стабильности и деградации материалов при высоких температурах;
прогнозировать ресурс гибких электронных элементов;
разрабатывать новые типы двухмерных кристаллов;
строить более точные компьютерные модели фазовых переходов.

Одновременно развивается и экспериментальная база: многие направления материаловедения связаны с разработкой структур, обладающих управляемыми характеристиками, что хорошо согласуется с развитием направлений, связанных с созданием новых структур с управляемыми свойствами вещества.

Сравнение: чем двумерные материалы отличаются от трёхмерных

Чтобы понять значимость обнаруженного механизма, важно сравнить, как проходят переходы в разных типах материалов.

Трёхмерные вещества разрушают решётку одновременно в нескольких направлениях, что приводит к резкому переходу в жидкость.
Двумерные материалы из-за ограниченного движения атомов формируют промежуточное состояние — гексатическую фазу.
Финальный переход из гексатической фазы в жидкость может быть таким же резким, как в объёмных структурах, что и показал эксперимент.

Эта комбинация постепенного и резкого этапов делает двумерные вещества одной из самых интересных областей современной физики конденсированного состояния.