In gewone driedimensionale materialen verandert ijs onmiddellijk in water: bij het bereiken van het smeltpunt breekt de starre structuur af en gaat de stof over in een vloeibare toestand. In atomair dunne kristallen, slechts één atoom dik, verloopt het proces anders — via een ongewone tussenliggende toestand.
Wetenschappers van de Universiteit van Wenen hebben voor het eerst direct de hexatische fase waargenomen in een echt materiaal — een kristal van zilverjodide dat één atoom dik is. In deze fase worden de afstanden tussen de atomen ongeordend, zoals in een vloeistof, maar de hoeken tussen hen behouden een gedeeltelijke ordening die kenmerkend is voor een vaste stof. Een dergelijke hybride toestand werd al in de 1970-er jaren voorspeld, maar tot nu toe kon men die alleen zien in modelsystemen van balletjes.
Om het kwetsbare kristal te beschermen, plaatsten de onderzoekers het tussen twee lagen grafeen, waardoor een soort ‘sandwich’ ontstond. Vervolgens verhitten ze het monster in een transmissie-elektronenmicroscoop tot een temperatuur boven 1100 °C, waarbij ze het smeltproces met atomaire resolutie vastlegden. Neurale netwerken hielpen de beweging van duizenden afzonderlijke atomen op duizenden beelden te volgen.
Het bleek dat de hexatische fase bestaat in een smal temperatuurvenster — ongeveer 25 °C onder het smeltpunt van zilverjodide. De overgang van de vaste toestand naar de hexatische verloopt geleidelijk, maar die van de hexatische naar de vloeibare verloopt abrupt, zoals in gewone materialen. Dit spreekt eerdere theoretische verwachtingen tegen en toont aan dat smelten in tweedimensionale covalente kristallen ingewikkelder is dan werd gedacht.
De ontdekking verandert de opvattingen over faseovergangen in tweedimensionale materialen en opent de weg naar het creëren van nieuwe nanostructuren met beheersbare eigenschappen. Begrijpen hoe atomen zich gedragen bij het smelten in uiterst dunne lagen is belangrijk voor toekomstige technologieën — van flexibele elektronica tot kwantumapparaten.
Het experiment bevestigde: zelfs in sterk gebonden echte materialen kan deze moeilijk waarneembare tussenliggende toestand bestaan. Nu hebben fysici een direct bewijs en een instrument om die te bestuderen.
