Ein Team der Universität Wien hat es geschafft, einen dieser seltenen Zustände in einem extrem dünnen Kristall direkt zu beobachten. Durch die Kopplung eines modernsten Elektronenmikroskops mit Analysen durch Neuronale Netze verfolgten die Wissenschaftler live das Schmelzen eines in Graphen eingeschlossenen Silberiodid-Kristalls. Diese Methode ermöglichte es, die Transformationen in Echtzeit auf atomarer Ebene festzuhalten.
In atomar dünnen Materialien folgt das Schmelzen nicht den vertrauten Regeln. Neue Beobachtungen offenbaren einen flüchtigen und exotischen Zustand zwischen fest und flüssig, der das wissenschaftliche Verständnis von Phasenübergängen in zwei Dimensionen neu formt.
Bildnachweis: Bild adaptiert von Thuy An Bui, David Lamprecht und Kimmo Mustonen (2025), CC BY 4.0
Für uns alle scheint der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand augenblicklich zu sein: Der Feststoff wird flüssig. Für Materialien, die auf fast zwei Dimensionen reduziert sind, kann der Prozess jedoch gradueller verlaufen. Ein Übergangszustand, genannt hexatische Phase, kann dann in Erscheinung treten. Er vereint Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten.
Bislang wurde diese Phase hauptsächlich in vereinfachten Modellsystemen untersucht. Das internationale Team zeigte, dass sie auch in realen Materialien auftritt, die durch starke chemische Bindungen zusammengehalten werden. Durch schrittweises Erhitzen des Silberiodid-Kristalls zeichneten sie seinen Durchgang durch die hexatische Phase vor dem vollständigen Schmelzen auf.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Übergang vom Festkörper zur hexatischen Phase kontinuierlich ist, während der Übergang von dieser Phase zur Flüssigkeit abrupt erfolgt, was einige frühere theoretische Erwartungen widerspricht.
Diese Entdeckung zeigt den Beitrag hybrider Technologien, wie Elektronenmikroskopie und künstliche Intelligenz, um die Grenzen der Materialwissenschaft zu erweitern. Sie schärft unsere Wahrnehmung grundlegender Verhaltensweisen unter extremen Bedingungen, mit möglichen Auswirkungen auf mehrere technologische Felder.
Die hexatische Phase: ein Übergangszustand
Die hexatische Phase ist ein Zustand der Materie, der sich zwischen fest und flüssig einordnet und besonders in zweidimensionalen Materialien sichtbar wird. Während Festkörper eine starre und regelmäßige atomare Anordnung zeigen und Flüssigkeiten eine große Unordnung aufweisen, weist diese Phase eine teilweise Ordnung auf. Die Abstände zwischen den Teilchen werden unregelmäßig, aber die Winkel zwischen Nachbarn behalten eine gewisse Organisation bei, was eine einzigartige Struktur erzeugt.
Dieser Zustand wurde in den 1970er Jahren theoretisch vorgeschlagen, sein Nachweis in realen Materialien blieb jedoch schwierig. Er wurde hauptsächlich in Modellsystemen analysiert, wie Ansammlungen von Plastikkugeln, wo die Wechselwirkungen einfacher sind. Die hexatische Phase stellt einen wichtigen Schritt im Verständnis von Phasenübergängen dar und zeigt, dass das Schmelzen ein mehrstufiger Prozess sein kann und kein plötzlicher Umschwung.
Für ultradünne Materialien, wie atomar dünne Kristalle, erscheint die hexatische Phase in einem begrenzten Temperaturintervall.