Parasti, runājot par metāliem, tos iztēlojamies kā stiprus, nemainīgus un pat nedaudz vienmuļus materiālus. Taču aiz spīdīgās virsmas notiek dramatiski procesi: atomi haotiski „dejo“ aukstumā, savienojas un atkal sadalās, nepārtraukti veidojot jaunas struktūras. Līdz šim šī mikropasaule bija gandrīz neredzama – it kā filma, kur skatītājam parāda tikai pirmo un pēdējo kadru. Tagad Sidnejas Universitātes pētnieku komandai ir izdevies izdarīt to, ko daudzi uzskatīja par neiespējamu: viņi „tiešraidē“ ir iemūžinājuši brīdi, kad šķidrā metālā sāk augt kristāli. Nevis pēc eksperimenta, nevis balstoties uz teoriju, bet gan reāllaikā, trīsdimensionālā secīgu attēlu sērijā.
Šis atklājums nav tikai tehniska sensācija. Tam līdzi nāk cerības, kas var pārveidot visu mūsu enerģētikas nākotni – sākot ar lētāku ūdeņraža kurināmo un efektīvāku katalīzi līdz pat jaunu materiālu radīšanai kvantu tehnoloģijām. Tā ir zinātnes vēsture, kurai līdz šim bija pietrūcis viena no svarīgākajiem maņu orgāniem – redzes.
Kā piedzimst kristāli, kurus neviens iepriekš nebija redzējis?
Līdz šim pētījumam metālu kristalizācija bija kā noslēpums aiz aizvērtas priekškara. Laboratorijās tika redzēts tikai rezultāts – graudiņš, struktūra vai katalizatora virsma. Bet pats process? Pārāk ātrs, pārāk karsts, pārāk blīvs, lai to varētu tieši novērot. Tāpēc Sidnejas zinātnieku 2025. gada beigās publiskotā vizualizācija satricināja ne tikai speciālistus: pirmo reizi pasaulē tika „nofilmēts“, kā šķidra metāla piliena iekšienē sāk augt platīna kristāli. Skats līdzinās sarmas ziedēšanai uz sudrabainas virsmas – tikai šī „sarma“ ir miljonkārt mazāka un daudz vērtīgāka nekā ledus.
Jums varētu patikt šie:
Tas, ko zinātnieki tagad ieraudzīja, līdz šim pastāvēja tikai modeļos un vienādojumos. Tagad tas ir fakts, iemūžināts tūkstošiem rentgena tomogrāfijas kadros.
Ūdeņraža ekonomikai ir bremze. Šis atklājums var to atbrīvot
Kāpēc tieši platīns? Jo tieši šis metāls ir ūdeņraža enerģētikas sirds: elektrolīzeri, katalizatori, kurināmā elementi – viss balstās uz dārgu, retu un grūti pieejamu metālu. Tieši no platīna cenas ir atkarīgs, vai ūdeņraža kilovatstunda kļūs par īstu „zaļo revolūciju“ vai arī paliks tikai dārgs sapnis. Šeit Sidnejas zinātnieku veikums var būtiski mainīt spēles noteikumus.
Šķidrā gallija – metāla, kas kūst pie temperatūras nedaudz virs cilvēka ķermeņa temperatūras – izrādījās ideāls „inkubators“ platīnam. Gallijs spēj izšķīdināt platīnu gluži kā cukurs izšķīst karstā ūdenī. Kad piliens tika bagātināts ar platīna atomiem un pēc tam atdzesēts, kristāli sāka augt paši no sevis, veidojot dažādas struktūras – atkarībā no temperatūras, sakausējuma sastāva un dzesēšanas ātruma.
Lēnas dzesēšanas apstākļos kristāliskās „stīgas“ izauga līdz pat 2,8 milimetru garumam. Strauji atdzesējot, veidojās desmitiem vai simtiem mikrometru garas adatai līdzīgas struktūras. Tomēr svarīga nav tikai forma. Rentgena tomogrāfija parādīja, ka kristāli nav tīrs platīns, bet gan intermetāliskas fāzes – piemēram, Ga₂Pt un Ga₇Pt₃ –, kur katrs dārgais platīna atoms ir efektīvi „ieskauts“ ar daudziem lētākiem gallija vai indija atomiem.
Tas paver ceļu iespējamai revolūcijai: tāda pati katalītiskā jauda, bet ar ievērojami mazāku platīna patēriņu.
Jums varētu patikt šie:
Rentgenstari parādīja to, ko cilvēka acs nekad nespētu ieraudzīt
Kā vispār iespējams novērot kristālu veidošanos blīvā, necaurspīdīgā metālā? Atbilde slēpjas medicīnas tehnoloģiju viedā izmantošanā ķīmijā. Pētnieki izmantoja augstas enerģijas rentgena datortomogrāfiju (XCT). Sakausējuma pilienu grozīja rentgenstaru kūlī un skenēja tūkstošiem reižu. No iegūtajiem datiem tika rekonstruēts trīsdimensiju attēls – milimetru mērogā, bet ar mikrometru precizitāti.
Katrais kadrs fiksē vienu kristāla augšanas mirkli. Katra kadru sērija ir mācību stunda par to, kā vadīt atomus, nevis tikai tos vērot.
No zinātnes viedokļa tas nozīmē vienu: esam pārgājuši no pasīvas novērošanas pie kristālu augšanas mērķtiecīgas vadības.
Skats nākotnē: lētāks ūdeņradis, kvantu čipi un „gudrie“ materiāli
No gallija pilieniem izaudzētie platīna kristāli vēlāk tika attīrīti un nogulsnēti uz elektrodiem. Rezultāti ūdeņraža izdalīšanās reakcijās bija iespaidīgi. Skābā vidē kristāli sasniedza strāvas blīvumu 10 mA/cm² jau pie aptuveni ~102 mV pārspenuma, bet sārmainā vidē – pie aptuveni ~171 mV. Salīdzinājumam – komerciālie katalizatori balstās uz dārgiem platīna pārklājumiem, kuru efektivitāte sārmainos apstākļos ievērojami samazinās.
Ja šo sintēzes metodi izdosies pielāgot rūpnieciskam mērogam, elektrolīzeriem varēs pietikt ar ievērojami mazāku platīna daudzumu. Ūdeņradis, ko šodien nereti uzskata par „luksusa preces“ enerģijas nesēju, varētu kļūt lētāks, pieejamāks un daudz reālāk izmantojams.
Taču zinātnieku ambīcijas neaprobežojas tikai ar ūdeņradi. Ar šķidro metālu palīdzību kontrolēta kristalizācija var pavērt ceļu šādiem risinājumiem:
kvantprocesoru virsvadītāji vai īpaši labi vadoši mezgli,
attīstīti fotoniskie materiāli, kas pavisam jaunā līmenī vada un manipulē ar gaismu,
katalizatori, kas spēj pildīt vairākas dažādas funkcijas vienlaikus.
Revolūcijas neveidojas vienā dienā, taču tuvplānā tā var izskatīties tieši šādi: kā neredzams, tievu platīna pavedienu tīkls, kas klusi aug vienas sudrabainas metāla piles iekšienē.
Foto ir ilustratīvi © Canva.
