Efter omfattande forskning, forskare från Institutionen för kemi vid University of Oxford har hittat experimentella bevis som kastar nytt ljus på smältningen av tvådimensionella ämnen. Resultaten från studien kan användas för att stödja tekniska förbättringar av tunnfilmsmaterial som grafen.

Forskare från gruppen av professor Roel Dullens vid Oxfords kemiska institution har experimentellt belyst hur smältning av ett tvådimensionellt fast ämne av hårda sfärer sker. Med detta arbete löser de en av de mest grundläggande viktiga men fortfarande enastående frågorna inom vetenskapen om kondenserad materia. Dessutom, dessa resultat utgör hörnstenen för vidare förståelse och utveckling av tvådimensionella material.

Smältande, fasövergången där ett ämne övergår från ett fast ämne till en vätska, är allmänt förstådd i grundläggande termer. Men trots att de träffas regelbundet i vardagen, (vare sig på arbetsplatsen, hem eller naturvärld), forskare har länge försökt förstå smältprocessen på en grundläggande nivå.

Smältning av ett fast ämne till en vätska är ett av de vanligaste vetenskapliga fenomenen. Dock, Att förstå denna transformation är särskilt mystiskt för fasta ämnen i två dimensioner. Här, den berömda Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) teorin föreslår att en mellanliggande, delvis stört tillstånd, kallad 'hexatisk', finns mellan det fasta och det flytande. Det har gjorts stora ansträngningar för att förstå dessa 'topologiska' övergångar, för vilka Kosterlitz och Thouless belönades med Nobelpriset i fysik 2016. Men för det enklaste samverkande systemet av många partiklar, tvådimensionella hårda sfärer, det har funnits en häpnadsväckande brist på konsensus trots att de första simuleringarna utfördes för över 60 år sedan.

Dr Alice Thorneywork och medarbetare använde optisk mikroskopi för att studera monoskikt av kolloidala modellhårda sfärer (se ruta 2) lutade med en liten vinkel för att införa en gradient i partikelkoncentrationen. För hårda sfärer, beteendet styrs endast av denna koncentration, som gjorde det möjligt för dem att identifiera och karakterisera vätskan, hexatisk, och fasta tillstånd och arten av övergångarna mellan dem i ett enda experiment. Resultaten visar att smältningen sker via en kontinuerlig fast-hexatisk övergång följt av en första ordningens hexatisk-vätskeövergång.