Surfing på atomær skala:Forskere bekræfter eksperimentelt ny fundamental lov for væsker

Det første eksperimentelle bevis for at validere en nyligt offentliggjort universel lov, der giver indsigt i de komplekse energitilstande for væsker, er blevet fundet ved hjælp af en avanceret nuklear teknik hos ANSTO.

Værket er netop blevet offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters som redaktørens valg og med på forsiden af ​​tidsskriftet.

Ligningen for vibrationstætheden af ​​tilstande formuleret af Alessio Zaccone og Matteo Bagglioli blev offentliggjort i et papir i PNAS i 2021, hvilket giver et svar på et spørgsmål, der har været uhåndgribeligt i mindst et århundrede.

Den elegante matematiske teori har løst problemet med at opnå fordelingen af ​​disse komplekse energitilstande for væsker.

"En af de vigtigste størrelser i materiens fysik er fordelingen af ​​frekvenserne eller vibrationsenergierne af de bølger, der udbreder sig i materialet. Det er særligt vigtigt, da det er udgangspunktet for at beregne og forstå nogle grundlæggende egenskaber ved stof, såsom specifik varme og termisk ledningsevne og lys-stof-interaktionen," sagde Prof Zaccone på University of Milanos hjemmeside.

"Det store problem med væsker er, at der ud over akustiske bølger er andre typer vibrationsexcitationer relateret til lave energier af atomers og molekylers uordnede bevægelse - excitationer, der næsten er fraværende i faste stoffer. Disse excitationer er typisk kortvarige og er knyttet til det dynamiske kaos af molekylære bevægelser, men er ikke desto mindre meget talrige og vigtige, især ved lave energier. Matematisk er disse excitationer, kendt som 'øjeblikkelige normale tilstande' eller INM'er i den specialiserede litteratur, meget vanskelige at håndtere, da de svarer til til energitilstande beskrevet af imaginære tal."

Time-of-flight neutronspektrometeret Pelican ved ANSTOs Center for Neutronspredning er blevet brugt til at måle vibrationsdensiteten af ​​tilstande for flere væskesystemer, herunder vand, flydende metal og polymervæsker. Pelican-instrumentet har den ekstreme følsomhed til at måle rotations- og translationsvibrationer over korte tidsintervaller og ved lave energier.

Eksperimenterne på ANSTO bekræftede det lineære forhold mellem vibrationstætheden af ​​tilstande med frekvens ved lave energier som forudsagt af Alessio Zaccone og Matteo Bagglioli, som vist i figuren nedenfor.

Med COVID-lockdown, ingen adgang til instrumenter, var det lille team, der inkluderede University of Wollongong Ph.D. kandidat Caleb Stamper, Dr. Cortie og Dr. Yu besluttede at fokusere på at genanalysere tidligere eksperimentelle data fra et nyt perspektiv for at validere den nye lov, inspireret af det teoretiske arbejde fra Alessio Zaccone og Matteo Bagglioli.

"Øvelsen opnår ikke kun et så fantastisk resultat, men giver også en god introduktion af neutronspektroskopi til Caleb, som har gjort et fremragende stykke arbejde," sagde Dr. Yu som Calebs ANSTO-vejleder og den tilsvarende forfatter til papiret.

Arbejdet vil også hjælpe dem med at løse spørgsmål vedrørende faseovergange i superioniske væsker i deres arbejde med termoelektriske materialer.

"Større udfordringer opstår, fordi væsker ikke er mekanisk stabile, da atomerne i en væske diffunderer, og væsken som helhed vil flyde," forklarede Dr. Cortie.

Den universelle lov er baseret på en teoretisk ramme, kendt som øjeblikkelige normale tilstande, som beskrevet af Prof Zaccone ovenfor, som foreskriver et sæt øjeblikkelige kræfter, frekvenser og hastigheder som størrelser.

En komplikation ved at udlede en teori til at forudsige vibrationstætheden af ​​tilstande i væsker opstod på grund af tilstedeværelsen af ​​en lille brøkdel af "imaginære tilstande."

"Imaginære tilstande er vigtige, fordi de repræsenterer det faktum, at en væske ikke er stabil. Atomerne i en væske interagerer stærkt med hinanden hele tiden, men ikke på samme måde som et fast stof gør. Forholdet er ikke "harmonisk", hvilket betyder, at atomerne vil ikke blive gendannet til den samme konfiguration efter en interaktion. Atomerne vil fortsætte med at diffundere hurtigt og glide forbi hinanden," sagde Stamper.

"De imaginære tilstande afspejler den negative krumning på en væskes potentielle energioverflade. Det er et meget komplekst energilandskab, men hvis man tænker på analogien af ​​en surfer på en havbølge. Atomerne i væsken følger bølgens kurver selv (se forsiden af ​​journalen). Men atomerne kan være i en position på toppen, under surfbrættet eller i truget, og de bevæger sig altid," sagde Dr. Yu.

"Loven vil for væsker spille den samme centrale rolle, som Debye-loven spiller for faste stoffer. Den vil tjene som grundlaget for hele forskningsfeltet, der involverer væsker og mere." + Udforsk yderligere

Molekylære 'danse' bestemmer, hvordan væsker optager varme