從小到大的物理課本都告訴我們，物質的基本三態是固態、液態與氣態。在我們的認知裡，這是一個井然有序的世界：固體的原子排列整齊劃一，而液體的原子則像脫韁野馬般自由流動。然而，科學探索的迷人之處，就在於它總能打破我們既有的認知框架。近期，來自英國與德國的跨國研究團隊，在微觀世界中觀察到了一種違反直覺的現象，他們發現液態金屬中竟然藏著一種理論上「不該存在」的神祕狀態，這項發現不僅挑戰了我們對物質型態的傳統理解，更可能為未來的材料科學帶來革命性的突破。
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顯微鏡下的奇異發現：高溫中靜止不動的原子
這項突破性的研究由英國諾丁漢大學與德國烏爾姆大學聯手進行，並發表於權威期刊《ACS Nano》。為了深入探索液體如何轉變為固體的奧祕，研究團隊設計了一個極為精密的實驗。他們將鉑、金、鈀等貴金屬的奈米顆粒，放置在僅有一層原子厚度的「石墨烯」上。在這裡，石墨烯扮演了類似「電磁爐」的加熱載體角色，接著科學家利用高解析度的透射電子顯微鏡，即時觀察這些金屬顆粒在極端溫度變化下的行為。
按照物理學常識，當金屬被加熱至熔點成為液態時，內部的原子應當會像擁擠人群般快速且混亂地移動。然而，透過電子顯微鏡的鏡頭，科學家們驚訝地目睹了異常景象：在液態金屬快速流動的混亂原子中，竟然有一部分原子完全「靜止不動」。這些不守規矩的原子並沒有隨著高溫起舞，而是牢牢地釘在石墨烯表面的缺陷位置上，彷彿被無形的力量鎖住了一樣，即便溫度持續升高，它們依然紋風不動。
原子柵欄效應：被圈養的過冷液體
科學家進一步研究後發現，這些靜止原子的分佈數量與位置，竟能決定金屬的命運。當靜止的原子數量稀少時，液態金屬會像往常一樣，冷卻後整齊地結晶成固體。但當研究人員透過電子束人為製造更多缺陷，讓大量靜止原子圍成一圈時，奇蹟發生了。這個由靜止原子構成的「原子柵欄」，竟然將內部的液態金屬「困住」了，使其忘記了該在何時結冰。
這種被稱為「圈控過冷液體」的狀態極為驚人。以鉑金屬為例，其正常的凝固點高達攝氏 1,768 度，但在這個原子柵欄的包圍下，內部的鉑即便溫度降至攝氏 350 度，依然維持著液體狀態。這意味著，這些被圈養的原子在低於凝固點一千多度的環境下，竟然還能違抗物理法則，拒絕凝固。這是人類科學史上，首次在原子層級成功地「圈養」了原子本身，創造出一種結合了固體邊界與液體內核的奇特混合態。
玻璃金屬的誕生：不穩定的非晶質結構
當然，這種違反常理的液態並不能永久維持。當溫度最終降得夠低，這些被困住的液體還是會被迫凝固，但它們的凝固方式卻與眾不同。由於受到外部原子柵欄的束縛，內部的原子無法依照正常程序排列成整齊的晶體，而是雜亂無章地堆疊在一起，形成了一種被稱為「非晶質金屬」或「玻璃金屬」的物質。
這種狀態就像是金屬版本的玻璃，雖然外表是固體，但內部結構卻像液體一樣混亂。值得注意的是，這種結構處於極度不穩定的狀態，完全是依靠外圍那圈靜止的原子柵欄在支撐。一旦這個柵欄被破壞，內部累積已久的張力會瞬間釋放，金屬原子會立刻「彈回」，重新排列成穩定的傳統結晶結構。這種在穩定與不穩定之間遊走的特性，展示了物質在微觀尺度下極具彈性的變化潛力。
未來應用展望：從催化劑到能源革命
這項發現不僅僅是實驗室裡的理論突破，它對現實世界的應用更有著深遠的影響。催化劑專家指出，鉑金屬與碳材料的結合（如石墨烯上的鉑）是目前全球應用最廣泛的催化劑組合，被大量應用於燃料電池與各類化學反應中。如果科學家能夠掌握這種「被困住的液態金屬」技術，將有機會設計出活性更高、壽命更長，甚至具備「自我清潔」功能的新型催化劑。
此外，這項研究也預告了一種全新物質型態的誕生——同一塊材料能同時展現固體與液體的雙重特性。研究團隊未來的目標是更精準地控制這些原子柵欄的形狀與大小，打造出更複雜的結構。這將有助於提升稀有金屬在潔淨能源領域的使用效率，無論是在高效能電池還是能源轉換裝置上，這種「原子級的控制技術」都可能成為開啟下一代科技革命的關鍵鑰匙。
首圖來源:Stationary Atoms in Liquid Metals and Their Role in Solidification Mechanisms
資料來源:
- “Stationary Atoms in Liquid Metals and Their Role in Solidification Mechanisms” by Christopher Leist, Sadegh Ghaderzadeh, Emerson C. Kohlrausch, Johannes Biskupek, Luke T. Norman, Ilya Popov, Jesum Alves Fernandes, Ute Kaiser, Elena Besley and Andrei N. Khlobystov, 9 December 2025, ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.5c08201
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