Materie under ekstreme forhold med meget høje temperaturer og tryk viser sig at være bemærkelsesværdig enkel og universel

Forskere ved Queen Mary University i London har gjort to opdagelser om adfærden af ​​"superkritisk stof" - stof på det kritiske punkt, hvor forskellene mellem væsker og gasser tilsyneladende forsvinder.

Mens stofs opførsel ved rimelig lav temperatur og tryk var godt forstået, var billedet af stof ved høj temperatur og tryk sløret. Over det kritiske punkt forsvinder forskelle mellem væsker og gasser tilsyneladende, og det superkritiske stof blev anset for at blive varmt, tæt og homogent.

Forskerne mente, at der var ny fysik, der endnu ikke skulle afsløres om denne sag i den superkritiske tilstand.

Ved at anvende to parametre - varmekapaciteten og længden, over hvilken bølger kan forplante sig i systemet, gjorde de to vigtige opdagelser. For det første fandt de ud af, at der er et fast inversionspunkt mellem de to, hvor stof ændrer sine fysiske egenskaber - fra væskelignende til gaslignende. De fandt også ud af, at dette inversionspunkt er bemærkelsesværdigt tæt på i alle studerede systemer, hvilket fortæller os, at det superkritiske stof er spændende simpelt og modtageligt for ny forståelse.

Ud over grundlæggende forståelse af materiens tilstande og faseovergangsdiagrammet har forståelsen af ​​superkritisk stof mange praktiske anvendelser; brint og helium er superkritiske i gasgigantplaneter som Jupiter og Saturn, og styrer derfor deres fysiske egenskaber. I grønne miljøapplikationer har superkritiske væsker også vist sig at være meget effektive til at ødelægge farligt affald, men ingeniører ønsker i stigende grad vejledning fra teori for at forbedre effektiviteten af ​​superkritiske processer.

Kostya Trachenko, professor i fysik ved Queen Mary University of London, sagde:"Den hævdede universalitet af det superkritiske stof åbner en vej til et nyt fysisk gennemsigtigt billede af stof under ekstreme forhold. Dette er en spændende udsigt ud fra et grundlæggende synspunkt. fysik samt forståelse og forudsigelse af superkritiske egenskaber i grønne miljøapplikationer, astronomi og andre områder.

"Denne rejse er i gang og vil sandsynligvis se en spændende udvikling i fremtiden. Det inviterer f.eks. til spørgsmålet om, hvorvidt det faste inversionspunkt er relateret til konventionelle højere-ordens faseovergange? Kan det beskrives ved at bruge de eksisterende ideer involveret i faseovergangsteorien, eller er der brug for noget nyt og helt anderledes? Når vi flytter grænserne for det kendte, kan vi identificere disse nye spændende spørgsmål og begynde at lede efter svar."

Metode

Hovedproblemet med at forstå superkritisk stof var, at teorier om gasser, væsker og faste stoffer ikke var anvendelige. Det forblev uklart, hvilke fysiske parametre der ville afsløre de mest fremtrædende egenskaber ved den superkritiske tilstand.

Bevæbnet med tidligere forståelse af væsker ved lavere temperatur og tryk brugte forskere to parametre til at beskrive det superkritiske stof.

1. Den første parameter er den almindeligt anvendte egenskab:dette er varmekapaciteten, der viser, hvor effektivt systemet absorberer varme og indeholder væsentlig information om systemets frihedsgrader.

2. Den anden parameter er mindre almindelig:dette er længden, over hvilken bølger kan forplante sig i systemet. Denne længde styrer den faseplads, der er tilgængelig for fononer. Når denne længde når sin mindst mulige værdi og bliver lig med den interatomiske adskillelse, sker der noget virkelig interessant.

Forskerne fandt ud af, at med hensyn til disse to parametre bliver sagen under ekstreme forhold med højt tryk og temperatur bemærkelsesværdig universel.

Denne universalitet er todelt. For det første har plottet af varmekapacitet vs bølgeudbredelseslængde et slående fast inversionspunkt, der svarer til overgangen mellem to fysisk forskellige superkritiske tilstande:væskelignende og gaslignende tilstande. Ved at krydse dette inversionspunkt ændrer det superkritiske stof sine vigtigste fysiske egenskaber. Inversionspunktet tjener i høj grad som en utvetydig måde at adskille de to stater - noget der har optaget videnskabsmænds sind i nogen tid.

For det andet er placeringen af ​​dette inversionspunkt bemærkelsesværdig tæt på alle typer af systemer, der er undersøgt. Denne anden universalitet er bemærkelsesværdig forskellig fra alle andre kendte overgangspunkter. For eksempel er to af disse overgangspunkter - det tredobbelte punkt, hvor alle tre stoftilstande (væske, gas, fast) eksisterer side om side, og det kritiske punkt, hvor gas-væske-kogelinjen slutter - er forskellige i forskellige systemer. På den anden side fortæller det samme inversionspunkt i alle systemer ved ekstreme superkritiske forhold os, at det superkritiske stof er spændende simpelt.

At afsløre og bevise denne enkelhed er hovedresultatet af papiret, "Dobbelt universalitet af overgangen i den superkritiske tilstand," offentliggjort i Science Advances . + Udforsk yderligere

Fasegrænser i molekylær skala:En 'primitiv' væske-gas-overgang