Međunarodni tim istraživača na instrumentu FXE europskog rendgenskog lasera XFEL zagrijao je platinasti film ispod iznimno tankog sloja amorfnog leda, nekristalne staklaste forme. Umjesto očekivane brze promjene strukture, led se na razini nanosekundi gotovo nije mijenjao. Rendgenska mjerenja i računalne simulacije pokazala su da se između metala i leda stvorio parni procjep od oko šest nanometara koji djeluje kao toplinska barijera.
Riječ je o svojevrsnom rođaku Leidenfrostovog efekta, pojave koju svatko može vidjeti u kuhinji: kap vode na užarenoj tavi ne ispari odmah nego klizi po jastuku vlastite pare. Isti princip, samo tisućama puta manji i tisućama puta brži, sada je potvrđen na granici metal–led.
Šest nanometara koči toplinu
Toplina, dakle, ne prelazi izravno iz platine u led kako nalažu klasični modeli prijenosa topline. Novonastali parni sloj presreće je i blokira. Tobias Eklund, doktorand pri europskom XFEL-u i Sveučilištu Johannes Gutenberg u Mainzu, opisuje to kao primjer kako znanost odvede istraživača u neočekivanom smjeru: eksperiment zamišljen da prouči fazne prijelaze amorfnog leda otkrio je anomalni prijenos energije na granici dvaju materijala.
Njegov kolega Christopher Milne, voditelj skupine na instrumentu FXE, sažeo je put od otkrića do zaključka u nekoliko riječi: neobičan rezultat mjerenja, pažljiva analiza i modeliranje, i nova znanost.
Posljedice sežu dalje od laboratorija. Razumijevanje ovakvih graničnih slojeva važno je za lasersku obradu materijala, tehnologije pohrane podataka i katalizu. Katrin Amann-Winkel, glavna istraživačica sa Sveučilišta Johannes Gutenberg i voditeljica skupine pri Max Planck institutu za istraživanje polimera, podsjeća da voda i dalje zna iznenaditi — a rezultati su bitni i za razumijevanje leda u atmosferi te u svemiru, gdje se amorfni led veže na sitna zrna prašine.
Tim sada želi provjeriti mogu li se slični izolacijski slojevi stvoriti i na drugim granicama materijala izloženima naglom zagrijavanju. Rezultati su objavljeni u časopisu Communications Chemistry.
Pitanje koje istraživači nisu postavili
Ovdje se otvara ono što u objavi nedostaje. Ako tanki parni film može gotovo zaustaviti prijenos topline na nanoskali, koliko su pouzdani modeli koji se danas koriste za projektiranje čipova, lasera i sustava za pohranu podataka? Inženjeri računaju s poznatim koeficijentima prijenosa topline na granicama materijala. Ako se ti koeficijenti u ekstremnim uvjetima ruše zbog sloja debelega nekoliko molekula, onda svaki termalni proračun nosi ugrađenu pogrešku koju nitko nije upisao.
Ovo nije prvi put da se laboratorijski eksperiment pokaže pametnijim od teorije. Povijest fizike materijala puna je sličnih slučajeva u kojima je mjerenje na rubu mogućnosti instrumenata otkrilo da stvarnost ima dodatni sloj — doslovno — koji modeli nisu predvidjeli. Razlika je danas u tome što rendgenski laseri četvrte generacije omogućuju snimanje procesa u nanosekundama, pa se takva odstupanja više ne mogu pripisati šumu u podacima.