Золото при очень быстром нагреве ведёт себя нестандартно. Изучив его характеристики, физики из университета Торонто выяснили, что нагрев не всегда сопровождается размягчением и/или плавлением материала.

Жизненный опыт человека подсказывает, что при нагреве любой материал размягчается, другое дело – до какой степени его нужно нагреть, чтобы началось постепенное плавление. Но команда физиков под руководством профессора Дуэйна Миллера (Dwayne Miller) продемонстрировала обратное.

"Как ни странно, золото действительно становится более твёрдым", — говорит Миллер. Впрочем, тут же уточняет, что нагрев производился с невероятно гигантской скоростью – гораздо быстрее, чем миллион миллиардов градусов в секунду (однако учёные не побили рекорд скорости нагрева).

Сделано это было не просто так. Физикам необходимо было добиться ситуации, когда нагрев происходил настолько быстро, что электроны, поглощающие световую энергию, не успевали сталкиваться с соседними атомами и рассеивать энергию. Из-за этого "разогретые" электроны находились на большем расстоянии от ядра, положительный заряд ядра меньше экранировался и связи между атомами укреплялись.

Изменения в строении решётки, происходящие вследствие действия короткого лазерного импульса (иллюстрация University of Toronto).

"Кристалл золота состоит из ионов золота и слабосвязанных электронов, которые компенсируют отталкивание ионов друг от друга", — поясняет Ральф Эрнсторфер (Ralph Ernstorfer), бывший сотрудник университета Торонто.

Во время ультракороткого нагрева материала лазерным импульсом ионы начинают притягиваться друг к другу сильнее. В результате физики наблюдают более прочную кристаллическую решётку и более высокую температуру плавления "нагретого" золота.

"Эффект усиления связей между ионами золота был предсказан теоретиками, однако нам впервые удалось воспроизвести его в реальности", — говорит Ральф.

Так учёные получали данные о строении кристаллической решётки (иллюстрация University of Toronto).

Чтобы сделать все эти выводы, учёным понадобилось проследить за движением ионов на атомном уровне. Съёмка в реальном времени производилась при помощи метода фемтосекундной электронной дифракции (femtosecond electron diffraction — FED).

Физики посылали короткий лазерный импульс на тонкий кристалл золота, затем измеряли скорость нагревания и амплитуду движения атомов. Все эти данные позволили судить об изменениях различных параметров кристаллической решётки.

"Наблюдение за этим редким состоянием вещества, называемым "тёплое плотное вещество" (warm dense matter), позволяет нам соотнести "жидкую" структуру с увеличением стабильности решётки", — добавляет Миллер.

Подробности вы найдёте в пресс-релизе университета и в статье авторов открытия, вышедшей в журнале Science.