Wenn Eis schmilzt, geschieht dies in einem Augenblick: feste Kristalle verwandeln sich plötzlich in flüssiges Wasser. Bei ultradünnen Materialien gelten jedoch andere Regeln. Ein Forscherteam
der Universität Wien hat erstmals direkt einen ungewöhnlichen Zwischenzustand – die ‚hexatische Phase’ – in einem atomar dünnen Kristall beobachtet. Die Ergebnisse wurden heute in 'Science’ veröffentlicht und stellen langjährige Theorien über den Übergang von fest zu flüssig infrage.
Eine Flüssigkeit, die sich wie ein Feststoff verhält
Die hexatische Phase wurde erstmals in den 1970er-Jahren theoretisch vorhergesagt. In diesem exotischen Zustand fließt das Material wie eine Flüssigkeit, bei unregelmäßigen Abständen zwischen den Atomen, behält jedoch einige der typischen Winkelstrukturen von Feststoffen bei. Bisher wurde dieses Verhalten nur in großskaligen Modellsystemen wie dicht gepackten Polystyrolkugeln beobachtet. Ob alltägliche kovalent gebundene Materialien die gleiche Phase durchlaufen, war unklar – bis jetzt.
Mit modernster Scanning-Transmission-Elektronenmikroskopie (STEM) und künstlicher Intelligenz filmten die Forscher das Schmelzen einer einzigen Silberiodid-Schicht (AgI), geschützt durch Graphen. Dieses „Graphen-Sandwich“ hielt den empfindlichen Kristall stabil, während er auf über 1100 °C erhitzt wurde, und zeigte so die atomaren Schmelzdynamiken in Echtzeit.
KI trifft auf atomare Schmelzprozesse
Ohne neuronale Netze wäre es unmöglich gewesen, tausende von Atomen gleichzeitig zu verfolgen. Das Team trainierte die KI mit umfangreichen Simulationsdaten, sodass sie die hochauflösenden Bilder analysieren und die hexatische Phase identifizieren konnte. Innerhalb eines schmalen Temperaturfensters – etwa 25 °C unter dem Schmelzpunkt von AgI – konnte der Zwischenzustand eindeutig nachgewiesen werden. Ergänzende Elektronenbeugungsmessungen bestätigten die Beobachtung.
Eine überraschende Wendung in der Schmelztheorie
Interessanterweise verliefen die Übergänge nicht genau wie vorhergesagt: Während der Übergang von fest zu hexatisch kontinuierlich war, trat der Übergang von hexatisch zu flüssig abrupt auf – ähnlich wie beim Schmelzen von Eis. „Das Schmelzen kovalenter zweidimensionaler Kristalle ist komplexer, als bisher gedacht“, erklärt David Lamprecht von der Universität Wien und TU Wien.
Die Studie bestätigt nicht nur die Existenz hexatischer Phasen in realen, stark gebundenen Materialien, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, Phasenübergänge auf atomarer Ebene zu erforschen. „Kimmo Mustonen und sein Team haben erneut gezeigt, wie mächtig atomar auflösende Mikroskopie in Kombination mit KI ist“, sagt Jani Kotakoski, Leiter der Forschungsgruppe an der Universität Wien.
Bedeutung für die Materialwissenschaften
Durch die direkte Beobachtung dieser Übergänge erhalten Wissenschaftler beispiellose Einblicke in das Verhalten ultradünner Materialien auf atomarer Ebene. Diese Entdeckungen könnten die Entwicklung von Nanomaterialien und elektronischen Bauteilen der nächsten Generation beeinflussen, bei denen das Verständnis präziser Phasenübergänge entscheidend ist.
Kurzfassung:
- Ultrathin Silberoide-Kristalle schmelzen nicht sofort, sondern durchlaufen eine hexatische Phase.
- Die Forscher kapselten den Kristall in einem Graphen-Sandwich ein und verfolgten die atomare Bewegung mit KI-unterstützter Elektronenmikroskopie.
- Der Übergang von fest zu hexatisch verläuft kontinuierlich, der von hexatisch zu flüssig abrupt – entgegen früherer Theorien.
- Die Studie vertieft das Verständnis zweidimensionaler Materialien und zeigt das Potenzial von KI in der modernen Mikroskopie.
Quelle: Thuy An Bui, David Lamprecht, u.a., Hexatic phase in covalent two-dimensional silver iodide, ‘Science’, 2025, DOI: 10.1126/science.adv7915