一滴熔融铂金在近2000摄氏度的高温下保持液态，原子剧烈运动。但当研究人员用电子束在石墨烯载体上制造缺陷后，一些铂原子突然停止了移动，它们紧紧地结合在缺陷位点上，形成一圈静止的原子围栏。这个围栏困住了内部仍在流动的液态金属，即使温度降到远低于正常凝固点，被困的液体依然拒绝结晶。英国诺丁汉大学和德国乌尔姆大学的研究团队在《ACS Nano》上发表了这一发现，揭示了一种介于固体和液体之间的新型物质状态。

这项研究使用了乌尔姆大学的SALVE透射电子显微镜，这台仪器能够在低电压下达到亚埃级分辨率，足以观察单个原子的行为。研究人员将铂、金、钯等金属纳米颗粒沉积在石墨烯基底上，然后加热使其熔化。石墨烯在这里扮演了双重角色，既是加热炉又是观察平台。

"我们利用石墨烯作为加热炉来加热这些颗粒，正如预期的那样，随着颗粒熔化，它们的原子开始快速运动，"在乌尔姆大学进行实验的克里斯托弗·莱斯特博士说。"然而，令我们惊讶的是，我们发现有些原子保持静止。"

波粒二象性的意外应用

更令人惊讶的是，这些静止原子的产生是电子束本身造成的。电子具有波粒二象性，作为波时可以用来观察物质，作为粒子时则能传递离散的动量脉冲。研究人员发现，聚焦的电子束可以在石墨烯上制造缺陷，这些缺陷能够牢固地捕获液态金属边缘的原子。

"我们的实验结果令我们感到惊讶，因为我们直接观察到了电子束中电子的波粒二象性，"创建SALVE中心的乌特·凯泽教授表示。"电子的波动性使我们能够观察物质，而它们的粒子性能够传递离散的动量脉冲，这些脉冲既可以移动原子，也可以将原子固定在液态金属的边缘。这一非凡的发现使我们能够发现一种新的物质相。"

通过调节电子束的强度和位置，研究人员可以精确控制被固定原子的数量和位置。当只有少数原子被固定时，液体的凝固过程与正常情况类似，晶体从某个点开始生长，逐渐蔓延至整个液滴。但当许多原子被固定形成一个围栏时，情况就完全不同了。

被困在原子围栏内的液态铂可以在远低于其正常凝固点的温度下保持液态。铂的正常熔点约为1768摄氏度，但被束缚的液态铂可以在低至350摄氏度时仍不结晶，这意味着过冷程度超过1000度。领导研究的安德烈·赫洛比斯托夫教授说："这种效应在静止的原子形成一个包围液体的环时尤为显著。一旦液体被困在这个原子圈中，即使在远低于其冰点的温度下，它也能保持液态。"

当温度进一步降低时，被困的液体最终会凝固，但它不会形成有序的晶体结构，而是变成一种非晶态金属。这种形态极不稳定，其存在仅仅是因为静止原子的束缚。一旦电子束破坏了这些缺陷或原子围栏，积累的张力会瞬间释放，金属迅速重排成正常的晶体结构。

从催化到材料设计的影响

这个发现不仅是物理学上的好奇，还可能对实际应用产生深远影响。铂碳催化剂是全球应用最广泛的催化剂之一，用于燃料电池、汽车尾气处理、化学合成等众多领域。诺丁汉大学的催化专家杰苏姆·阿尔维斯·费尔南德斯博士表示："发现具有非经典相行为的受限液态金属可能会改变我们对催化剂工作原理的理解。这一进展有望促成活性更高、寿命更长的自清洁催化剂的设计。"

液态金属的流动性可能让催化剂表面保持动态更新，防止毒化和失活。而静止原子形成的锚定点则能稳定纳米颗粒，防止其在高温下烧结团聚。这种固液混合状态或许能结合两者的优势。

更广阔的应用前景在于原子级物质控制。此前，束缚技术仅应用于光子和电子，这项研究首次实现了对原子本身的束缚。赫洛比斯托夫教授说："我们的成果可能预示着一种新型物质的诞生,它将固体和液体的特性结合在同一种材料中。"

研究团队的下一步目标是精确控制被束缚原子的位置,构建更大更复杂的原子围栏。如果能够设计任意形状的原子围栏,就可能制造出具有定制性质的纳米材料。这对清洁能源技术尤为重要,因为铂等稀有金属是燃料电池和电解水制氢的关键材料,提高其利用效率意义重大。

从更根本的层面看,这项研究挑战了我们对物质状态的传统理解。固体、液体、气体的三态分类建立在原子运动特征的差异上。当一部分原子静止而另一部分流动时,这种材料究竟属于哪一类？或许我们需要扩展物质状态的分类框架,为这些混合态留出位置。