最終，物質之間出現了一種奇怪的情況

非常薄的材料的行為非常不同。它們不會突然熔化，而是會經歷固體和液體之間不尋常的中間狀態。這種罕見的狀態被稱為六方相。維也納大學的科學家現在在原子薄晶體中直接觀察到了這一階段，這是以前從未得到證實的。

研究小組將先進的電子顯微鏡與神經網絡相結合，記錄了熔化時受到石墨烯層保護的碘化銀晶體。這些超薄二維材料使研究人員能夠看到單個原子水平的熔化。這些結果極大地提高了我們對相變如何在二維中發揮作用的理解。研究結果也與長期以來的理論預期相矛盾，現已發表 科學。

為什麼二維材料的熔化方式不同

在日常材料中，熔化會突然發生。一旦達到熔化溫度，有序的固體結構就會迅速轉變為無序的液體。金屬、礦物、冰和許多其他三維物質都具有這種行為。

然而，當材料縮小到幾乎二維時，熔化會遵循不同的路徑。在固態和液態之間，可以出現不同的中間相。這種狀態被稱為六方相，最早於 20 世紀 70 年代提出，但在實際材料中仍難以證實。

在此階段，材料表現出混合行為。顆粒之間的間距變得不規則，就像液體一樣，並且它們之間的角度變得部分有序，這是通常與固體相關的特徵。這種組合使六方相成為具有兩種物質形式特性的混合狀態。

解開真實材料中長期存在的謎團

到目前為止，六方相僅在簡化的模型系統中觀察到，例如緊密堆積的聚苯乙烯球。科學家們不確定通過強化學鍵結合在一起的日常材料中是否存在同樣的行為。

由維也納大學領導的國際研究小組現在已經回答了這個問題。通過檢查原子級薄的碘化銀 (AgI) 晶體，研究人員首次能夠直接觀察強鍵合材料中的六方相。這一成就解決了幾十年來一直懸而未決的問題。

研究結果證實，這種失控相可以發生在真實的二維晶體中，並揭示了當材料減小到原子厚度時熔化如何進行的新細節。

石墨烯三明治內熔化的原子

為了觀察這個脆弱的過程，研究人員設計了一個專門的實驗裝置。將單層碘化銀放置在兩片石墨烯之間，形成保護性“三明治”。然而，這種結構可以防止精緻的晶體掉落，同時允許其自然融化。

然後，研究小組使用配備加熱墊的掃描電子顯微鏡（STEM）將樣品的溫度逐漸升高到 1100°C 以上。這種設置允許以原子分辨率實時記錄熔化過程。

人工智能如何使原子級追踪成為可能

跟踪單個原子的運動會產生大量數據。該研究的主要作者、維也納大學的 Kimmo Mustonen 表示，如果沒有人工智能，這項任務就不可能完成。 “如果不使用神經網絡等人工智能工具，就不可能跟踪所有這些單獨的原子，”他解釋道。

研究人員使用大量模擬數據訓練他們的神經網絡。經過訓練，系統分析了實驗中生成的數千張高分辨率顯微鏡圖像。

狹窄的溫度窗口顯示六方相

分析發現了一個驚人的結果。在較小的溫度範圍內（比 AgI 熔點高約 25 °C），晶體進入明確定義的六方相。額外的電子衍射測量證實了這種行為，證明這種中間態存在於原子薄且強鍵合的材料中。

重新思考二維熔化的原理

研究還揭示了挑戰現有理論的行為。先前的模型表明，從固體到六方以及從六方到液體的兩種轉變都應該逐漸發生。相反，研究人員發現只有第一次轉變遵循這種模式。

從固體到六方的轉變進展順利，從六方到液體的轉變卻突然發生，就像冰變成水一樣。 “這表明二維共價晶體的熔化比之前想像的要復雜得多，”維也納大學的 David Lamprecht 說道，他是這項研究的主要作者之一，他與同樣來自維也納大學的 Thuy An Bui 一起說道。

開闢材料科學新道路

這一發現挑戰了數十年的理論假設，並為最小尺度的物質研究開闢了新的方向。維也納大學研究團隊負責人 Jani Kotakoski 強調了這項工作的重要性，“Kimmo 和他的同事再次證明了原子分辨率顯微鏡的強大功能。”

除了提高我們對二維熔化的理解之外，該研究還展示了先進的顯微鏡和人工智能如何共同探索材料科學的新領域。

拿鑰匙

• 當材料只有幾個原子厚時，它們不會以通常的方式熔化。它們不是直接從固體躍遷到液體，而是經歷一種奇怪的中間狀態，稱為“六方相”。維也納大學的科學家首次在原子級薄的碘化銀 (AgI) 晶體中直接觀察到這一過程。
• 為了實現這一點，研究人員將單層碘化銀密封在保護性“石墨烯三明治”內。然後使用先進的電子顯微鏡和神經網絡來跟踪當晶體加熱並開始熔化時單個原子如何移動。
• 這種方法揭示了一個明確的結果。在非常窄的溫度範圍內（比 AgI 熔點低約 25 °C），晶體進入介於固液之間的明顯六方相。
• 該團隊還發現了一個意想不到的轉折。正如理論所預測的那樣，從固體到六方的轉變是逐漸發生的，而從六方到液體的最終轉變是突然發生的，類似於冰融化成水。這與長期以來關於二維材料如何熔化的假設相矛盾。
• 總之，這些發現重塑了科學家對真實材料中相變的理解，並為材料科學的未來進步，特別是在原子尺度上的進步提供了更堅實的基礎。