Только примерно 140 лет спустя, в 1985 году, это "поверхностное плавление" могло быть научно подтверждено в контролируемых лабораторных условиях. К настоящему времени поверхностное плавление было продемонстрировано в различных кристаллических материалах и хорошо изучено с научной точки зрения: на несколько градусов ниже фактической точки плавления на поверхности твердого материала образуется слой жидкости толщиной всего в несколько нанометров. Поскольку свойства поверхности материалов играют решающую роль при их использовании, например, в качестве катализаторов, датчиков, электродов аккумуляторных батарей и многого другого, поверхностное плавление имеет не только фундаментальное значение, но и с точки зрения технических применений.

Следует подчеркнуть, что этот процесс не имеет абсолютно ничего общего с эффектом, скажем, извлечения кубика льда из морозильной камеры и воздействия на него температуры окружающей среды. Причина, по которой кубик льда в таких условиях сначала тает на своей поверхности, заключается в том, что поверхность значительно теплее, чем внутренняя часть кубика льда.

Обнаружено поверхностное плавление стекла

В кристаллах с периодически расположенными атомами тонкий слой жидкости на поверхности обычно обнаруживается с помощью экспериментов по рассеянию, которые очень чувствительны к наличию атомного порядка. Поскольку жидкости расположены нерегулярно, такие методы могут, следовательно, четко устранить появление тонкой пленки жидкости поверх твердого вещества. Этот подход, однако, не работает для стекол (т.е. неупорядоченных, аморфных материалов), поскольку нет разницы в атомном порядке между твердым телом и жидкостью. Таким образом, поверхностное плавление стекол оставалось довольно неисследованным в экспериментах.

Чтобы преодолеть вышеупомянутые трудности, Клеменс Бехингер, профессор физики в Университете Констанца, и его коллега Ли Тянь использовали хитрость: вместо изучения атомного стекла они создали неупорядоченный материал, состоящий из микроскопических стеклянных сфер, известных как коллоиды. В отличие от атомов, эти частицы примерно в 10 000 раз больше и их можно наблюдать непосредственно под микроскопом.

Исследователи смогли продемонстрировать процесс поверхностного плавления в таком коллоидном стекле, потому что частицы вблизи поверхности движутся намного быстрее по сравнению с твердым телом внизу. На первый взгляд, такое поведение не является полностью неожиданным, поскольку плотность частиц на поверхности ниже, чем в подстилающем насыпном материале. Следовательно, частицы, расположенные близко к поверхности, имеют больше пространства для перемещения друг мимо друга, что делает их более быстрыми.

Удивительное открытие

Однако что удивило Клеменса Бехингера и Ли Тяня, так это тот факт, что даже далеко под поверхностью, где плотность частиц достигла объемного значения, подвижность частиц все еще значительно выше по сравнению с сыпучим материалом. Изображения под микроскопом показывают, что этот ранее неизвестный слой имеет толщину до 30 диаметров частиц и продолжается от поверхности в более глубокие области твердого тела полосообразным рисунком. "Этот слой, который проникает далеко в материал, обладает интересными свойствами материала, поскольку он сочетает в себе жидкие и твердые свойства", - объясняет Бехингер.

Как следствие, свойства тонких, неупорядоченных пленок очень сильно зависят от их толщины. Фактически, это свойство уже используется при их использовании в качестве тонких ионных проводников в батареях, которые, как оказалось, обладают значительно более высокой ионной проводимостью по сравнению с толстыми пленками. Однако благодаря новым выводам, полученным в результате экспериментов, это поведение теперь можно понять количественно и, таким образом, оптимизировать для технических применений.