(PhysOrg.com) -- Faseovergangen -- veranderingen van materie van de ene toestand naar de andere zonder de chemische samenstelling ervan te veranderen -- vormen een belangrijk onderdeel van het leven in onze driedimensionale wereld. Water valt op de grond als sneeuw, smelt tot een vloeistof en verdampt uiteindelijk terug naar de wolken om de cyclus opnieuw te beginnen.

Nu heeft een team van wetenschappers een nieuwe manier bedacht om te onderzoeken hoe dergelijke faseovergangen functioneren in minder dan drie dimensies en op het niveau van slechts een paar atomen. Ze hopen dat de techniek nuttig zal zijn om aspecten te testen van wat tot nu toe puur theoretische fysica was, en ze hopen dat het ook praktische toepassingen kan hebben voor het waarnemen van omstandigheden op zeer kleine schaal, zoals in een celmembraan.

Ze werkten met enkelwandige koolstofnanobuisjes, extreem dun, holle grafietstructuren die zo klein kunnen zijn dat ze bijna eendimensionaal zijn, om het faseovergangsgedrag van argon- en krypton-atomen te bestuderen.

"De fysica kan heel anders zijn in minder dan drie dimensies, " zei David Cobden, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Washington en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven dat vrijdag (29 januari) is gepubliceerd in Wetenschap .

co-auteurs, allemaal van de UW, zijn Zenghui Wang, Jiang Wei, Peter Morse, J. Gregory Dash en Oscar Vilches.

Voor hun observaties, de groep gebruikte koolstofnanobuisjes, microscopisch kleine cilinders die enige dikte hebben, maar bijna eendimensionaal zijn.

Faseovergangen veranderen de dichtheid van atomen. In de dampvorm, er zijn minder atomen en ze zijn losjes verpakt. Vloeistof heeft meer atomen en ze zijn dichter op elkaar gepakt. De vaste stof is een kristal gevormd uit zeer dicht opeengepakte atomen. Om de fase van de argon- en krypton-atomen te bepalen, de onderzoekers gebruikten de koolstofnanobuis net als een gitaarsnaar die over een fret is gespannen. Een nabijgelegen stuk geleidend metaal oefende een elektrische kracht uit om de snaar te laten oscilleren, en de wetenschappers maten de stroom om te "luisteren" naarmate de trillingsfrequentie veranderde - een grotere massa atomen die aan het oppervlak van de nanobuis kleefde, produceerde een lagere frequentie.

"Je luistert naar deze nano-gitaar en naarmate de toonhoogte daalt, weet je dat er meer atomen aan het oppervlak blijven kleven, "Zei Cobden. "In principe kun je één atoom op de buis horen landen - zo gevoelig is het."

De onderzoekers ontdekten ook dat de elektrische weerstand van de nanobuis veranderde toen krypton-atomen aan het oppervlak plakten.

In de toekomst, de wetenschappers hopen te kunnen zien hoe de atomen, terwijl ze de koolstofnanobuis bevolken, op elkaar reageren via verschillende faseovergangen, en ook hoe ze interageren met het zuivere koolstofgrafiet van de nanobuis. Ze verwachten een aantal significante verschillen te zien in experimenten die één dimensie benaderen van die in twee of drie dimensies.

"Bijvoorbeeld, materie kan bevriezen in 3D en in 2D, maar in theorie zou het niet moeten bevriezen in 1-D, ' zei Cobden.

Naast het bieden van een proeftuin voor natuurkundige theorieën, het werk kan ook nuttig zijn voor het detecteren van toepassingen, zoals metingen op nanoschaal in verschillende vloeistofomgevingen, onderzoeken van functies in celmembranen of sonderen in zenuwen.

"Met nanobuisjes kun je dingen op subcellulair niveau onderzoeken, ' zei Cobden.