Frigør hemmelighederne bag superkritiske væsker:Studiet giver indsigt i en hybrid tilstand af stof

En undersøgelse nu offentliggjort i Nature Communications bringer bemærkelsesværdig indsigt i den gådefulde adfærd af superkritiske væsker, en hybrid tilstand af stof, der optager et unikt rum mellem væsker og gasser, og opstår i domæner, der går fra den farmaceutiske industri til planetarisk videnskab. De opnåede resultater er på grænsen af ​​nuværende eksperimentelle muligheder og kunne kun opnås i en neutronkilde med høj flux såsom Institut Laue-Langevin (ILL).

Et flydende eller gasformigt stof, der skubbes ud over dets kritiske punkt (dvs. ud over den temperatur og det tryk, hvorved der ikke længere kan skelnes mellem væske og gas), kaldes en superkritisk væske. Stadig lidet kendte og trodser konventionelle klassifikationer, superkritiske væsker har evnen til at strømme ud som en gas, mens de opløser materialer som en væske.

Denne dobbelthed har gjort dem uvurderlige i et utal af industrielle anvendelser, fra farmaceutisk forarbejdning til koffeinfri kaffebønner. På den anden side er de afgørende for at forstå gigantiske planeter som Jupiter og Neptun, hvor lignende stoftilstande kan herske.

Et internationalt hold af forskere fra Sapienza University (Rom, Italien) ILL (Grenoble, Frankrig), Ecole Polytechnique Federal (Lausanne, Schweiz), CNRS (Frankrig) og CNR (Italien) opnåede eksperimentelt bevis på, at molekylær diffusion i en supervæske skifter fra gasformig -lignende adfærd til væskelignende adfærd på tværs af den såkaldte Widom-linje (en termodynamisk linje, der strækker den mættede dampkurve over det kritiske punkt). Overgangen er gradvis inden for et snævert trykområde.

Holdet undersøgte diffusionen af ​​molekyler i en superkritisk væske - en afgørende parameter, der afspejler mobiliteten af ​​molekyler i væsken - med et grundlæggende spørgsmål i tankerne:kan vi udpege et område med tryk-temperatur, hvor adfærden af ​​en superkritisk væske går fra gas -lignende til væskeagtig? Mens teoretiske modeller har foreslået forskellige sådanne overgangsgrænser (bl.a. Widom-linjen), var eksperimentel validering indtil nu forblevet uhåndgribelig.

Dette resultat blev opnået gennem udfordrende højtryks-, kvasi-elastisk neutronspredning (QENS) eksperimenter på superkritisk metan udført ved ILL i Grenoble. På ILL bruges neutroner til at udforske materialer og processer på alle mulige måder i en meget bred vifte af domæner.

I denne undersøgelse blev en neutronstråle sendt ind i en celle indeholdende metan under superkritiske forhold. Intensiteten af ​​neutronstrålen spredt af prøven blev målt som en funktion af den energi, der blev udvekslet i området af interesse (dvs. i det energiområde, hvor molekylære diffusionsfænomener i stof forekommer, det såkaldte kvasi-elastiske regime).

Målingerne fandt sted ved konstant temperatur T=200 K (over den kritiske T=190 K) varierende metantrykket fra nogle få bar op til meget høje tryk (nåede næsten 3 Kbar; det kritiske tryk er P=45 bar) . Forsøgene blev udført på ILL instrument IN6-SHARP.

Forfatterne understreger de slående klare eksperimentelle beviser, "Mens der ved tryk lavere end ca. 50 bar observeres signalet fra diffusionsdynamikken typisk for gasformige systemer, har vi været i stand til at observere, at når trykket stiger over det, udvikler signalet sig progressivt indtil det antager den typiske form af væsker," forklarer forfatter Alessio De Francesco (forsker ved CNR og ILL).

Resultatet blev muliggjort takket være neutronkilden med høj flux og de unikke eksperimentelle støttefaciliteter, der er tilgængelige på ILL. "Disse målinger er på grænsen af ​​de nuværende eksperimentelle muligheder og var utænkelige indtil for et par år siden," tilføjer Ferdinando Formisano (forsker ved CNR og ILL).

"Som det ofte sker inden for forskning, betyder det at have åbnet en dør at se nye veje at udforske, og dette mål kan kun forfølges takket være adgang til store forskningsfaciliteter."