(PhysOrg.com)-Fasövergångar-förändringar av materia från ett tillstånd till ett annat utan att ändra dess kemiska sammansättning-är en viktig del av livet i vår tredimensionella värld. Vatten faller till marken som snö, smälter till en vätska och förångas så småningom tillbaka till molnen för att börja cykeln igen.

Nu har ett team av forskare tagit fram ett nytt sätt att utforska hur sådana fasövergångar fungerar i mindre än tre dimensioner och på nivå med bara några atomer. De hoppas att tekniken kommer att vara användbar för att testa aspekter av det som hittills varit rent teoretisk fysik, och de hoppas att det också kan ha praktiska tillämpningar för att känna av förhållanden i mycket små skalor, såsom i ett cellmembran.

De arbetade med enväggiga kolnanorör, extremt tunn, ihåliga grafitstrukturer som kan vara så små att de är nästan endimensionella, för att studera fasövergångsbeteendet för argon- och kryptonatomer.

"Fysiken kan vara ganska annorlunda på färre än tre dimensioner, "sa David Cobden, docent i fysik vid University of Washington och motsvarande författare till ett papper som beskriver arbetet som publicerades fredag ​​(29 januari) i Vetenskap .

Medförfattare, allt från UW, är Zenghui Wang, Jiang Wei, Peter Morse, J. Gregory Dash och Oscar Vilches.

För deras observationer, gruppen använde kolnanorör, mikroskopiska cylindrar som har viss tjocklek men som är väldigt nära att vara endimensionella.

Fasövergångar förändrar densiteten hos atomer. I ångformen, det finns färre atomer och de är löst förpackade. Vätska har fler atomer och de är tätare packade. Det fasta materialet är en kristall som bildas av mycket tätt packade atomer. För att bestämma fasen för argon- och kryptonatomerna, forskarna använde kolnanoröret ungefär som en gitarrsträng som sträckte sig över ett band. En närliggande bit av ledande metall applicerade en elektrisk kraft för att oscillera strängen, och forskarna mätte strömmen för att "lyssna" när vibrationsfrekvensen ändrades - en större massa atomer som fastnade på nanorörets yta gav en lägre frekvens.

"Du lyssnar på denna nanogitarr och när tonhöjden går ner vet du att det finns fler atomer som sticker upp till ytan, "Sa Cobden." I princip kan du höra en atom landa på röret - det är så känsligt. "

Forskarna fann också att nanorörets elektriska motstånd förändrades när kryptonatomer fastnade på ytan.

I framtiden, forskarna hoppas kunna se hur atomerna, när de fyller kolnanoröret, reagera på varandra genom olika fasövergångar, och också hur de interagerar med nanorörets rena kolgrafit. De förväntar sig att se några signifikanta skillnader i experiment som närmar sig en dimension från dem i två eller tre dimensioner.

"Till exempel, materia kan frysa i 3D och i 2-D, men teoretiskt sett bör det inte frysa i 1-D, "Sa Cobden.

Förutom att tillhandahålla en testbädd för fysiksteorier, arbetet kan också vara användbart för avkänning av applikationer, såsom nanoskala mätningar i olika vätskemiljöer, undersöka funktioner i cellmembran eller sondera i nerver.

"Nanorör gör att du kan undersöka saker på subcellulär nivå, "Sa Cobden.