Речовина в екстремальних умовах дуже високої температури й тиску виявляється напрочуд простою та універсальною
14. серпень, 2022 в 19:20
Вчені зробили два відкриття про поведінку "надкритичної матерії" — речовини в критичній точці, де різниці між рідинами й газами, як здається, зникають.
Дослідження провели вчені Лондонського університету королеви Марії. Їх робота "Подвійна універсальність переходу до надкритичного стану" була опублікована в журналі Science Advances.
Якщо поведінку речовини при досить низькій температурі та тиску було добре вивчено, то картина речовини при високій температурі та тиску здавалася розмитою. Вище критичної точки відмінності між рідинами й газами здавалося б зникають, і вважається, що надкритична матерія стає гарячою, щільною та однорідною.
Дослідники вважали, що у надкритичному стані речовини є нова фізика, яку ще належить розкрити.
Застосувавши два параметри – теплоємність та довжину, на яку хвилі можуть поширюватися в системі, вони зробили два ключові відкриття. По-перше, вони виявили, що існує фіксована точка інверсії між цими двома параметрами, де речовини змінює свої фізичні властивості – з рідкого стану перетворюється на газоподібний. Вони також виявили, що ця точка інверсії напрочуд близька у всіх вивчених системах, що говорить про те, що надкритична речовини інтригливо проста й піддається новому розумінню.
Крім фундаментального розуміння станів речовини та діаграми фазових переходів, розуміння надкритичної речовини має безліч практичних застосувань. Зокрема, водень та гелій є надкритичними в газових планетах-гігантах, таких як Юпітер та Сатурн, і тому визначають їх фізичні властивості. В екологічних програмах надкритичні рідини також довели свою ефективність у знищенні небезпечних відходів, але інженери все більше потребують настанов від теорії, щоб підвищити ефективність надкритичних процесів.
“Твердження про універсальність надкритичної речовини відкриває шлях до нової фізично прозорої речовини матерії в екстремальних умовах. Це гостроцікава перспектива з погляду фундаментальної фізики, а також розуміння та прогнозування надкритичних властивостей в екологічних додатках, астрономії та інших областях”, - зазначає Костянтин Траченко, професор фізики Лондонського університету королеви Марії.
“Ця подорож триває, та, ймовірно, у майбутньому на нас чекають захопливі події. Наприклад, виникає питання, чи пов'язана фіксована точка інверсії зі звичайними фазовими переходами вищого порядку? Чи можна описати її, використовуючи поточні ідеї, закладені в теорії фазових переходів, чи необхідно щось нове й зовсім інше? Розсуваючи межі відомого, ми можемо визначити ці нові питання, що нас хвилюють, і почати пошук відповідей”.
Застосовувана методологія
Основна проблема у розумінні надкритичної речовини полягала в тому, що теорії газів, рідин та твердих тіл були незастосовні. Залишалося незрозумілим, які фізичні параметри дозволять виявити найважливіші властивості надкритичного стану.
Взявши на озброєння раніше отримані знання про рідини при нижчій температурі та тиску, дослідники використовували два параметри для опису надкритичної матерії.
1. Перший параметр є загальноприйнятою властивістю: це теплоємність, що показує, наскільки ефективно система поглинає тепло та містить важливу інформацію про ступеня свободи системи.
2. Другий параметр менш поширений: це довжина, яку хвилі можуть поширюватися у системі. Ця довжина визначає фазовий простір, доступний фононам. Коли ця довжина досягає найменшого можливого значення та стає рівною міжатомному поділу, відбувається щось справді цікаве.
Вчені виявили, що з погляду цих двох параметрів речовина в екстремальних умовах високого тиску й температури стає напрочуд універсальною.
Ця універсальність проявляється подвійно. По-перше, графік залежності теплоємності від довжини поширення хвилі має разюче фіксовану точку інверсії, яка відповідає переходу між двома фізично різними надкритичними станами: рідкоподібним та газоподібним. При перетині цієї точки інверсії надкритична матерія змінює ключові фізичні властивості. Точка інверсії, що важливо, є однозначним способом поділу цих двох станів — те, що займало уми вчених протягом деякого часу.
По-друге, розташування цієї точки інверсії напрочуд близьке у всіх типах досліджуваних систем. Ця друга універсальність помітно відрізняється від інших відомих точок переходу. Наприклад, дві з цих точок переходу — потрійна точка, в якій співіснують усі три стани матерії (рідина, газ, тверде тіло), і критична точка, в якій закінчується лінія кипіння газу та рідини, — у різних системах розташовані по-різному. З іншого боку, одна й та сама точка інверсії у всіх системах за екстремальних надкритичних умов говорить нам про те, що надкритична речовина є інтригливо простою.
Джерело: пресреліз Лондонського університету королеви Марії.