Flydende svovl ændrer form og bliver kritisk under tryk

Forskere fra ESRF, sammen med teams fra CEA og CNRS/Sorbonne Université, har fundet beviset for en væske-til-væske-overgang i svovl og for en ny form for kritisk punkt, der afslutter denne overgang. Deres arbejde udgives i Natur .

Overalt i miljøet sker faseovergange konstant. De mest kendte eksempler på faseovergange er, når vand skifter tilstand fra fast til væske eller gas til væske ved 0 grader C og 100 grader C, henholdsvis, ved atmosfærisk tryk. På trods af udbredelsen af ​​disse begivenheder i naturen, forskere forstår stadig ikke helt, hvordan disse overgange finder sted på det mikroskopiske niveau.

Blandt de mange tilfælde af faseovergange, dem, der involverer en latent varme og en diskontinuerlig ændring af densitet, betegnes som første ordens. Førsteordensovergange er meget almindelige i fast tilstand, og inkluderer f.eks. den fra grafit til diamant, og halvleder til metalovergang i silicium.

Imidlertid, i årevis troede ingen, at der kunne være nogen form for første ordens overgang, der adskiller to flydende faser af det samme rene og isotrope stof. Med de nye årtusinder, ting ændrede sig. EN Natur papir i år 2000 af Y. Katayama et al., fra den japanske synkrotron Spring-8, gav tegn på en væske-til-væske-overgang, der gennemgik i fosfor.

”Det var et rigtigt gennembrud, da det ændrede måden, hvorpå den flydende tilstand blev opfattet af det videnskabelige samfund, "forklarer Mohamed Mezouar, forsker med ansvar for beamline ID27 ved ESRF og tilsvarende forfatter til den nye publikation. "I dag viser vi det andet direkte bevis på en sådan overgang i flydende svovl, "tilføjer Mezouar." Vi valgte svovl, fordi svovl og fosfor udviser vigtige ligheder, når de udsættes for høje tryk og temperaturer, "forklarer han." Desuden Jeg vidste, at det var en god kandidat, da det allerede viste en interessant række faste former, enten molekylær eller polymer, krystallinsk eller amorft. "Svovl er også et af de vigtigste elementer, bruges i mange applikationer såsom gummidæk, svovlsyre, gødning, etc.

Hvis forskere ikke har kunnet finde bevis for anden væske-væske-overgang i nogen anden ren og stabil væske siden 2000, det er fordi denne form for transformation er knap og dårligt forstået endnu. Beregninger har forudset overgange i flydende brint, nitrogen og kuldioxid, men ved meget høje tryk- og temperaturforhold, stadig svært at undersøge. Eksperimenterne i den aktuelle publikation fandt sted på ID27, hvor ESRF -teamet sammen med forskere fra CEA og CNRS/Sorbonne Université i Paris, anvendte tryk på flydende svovl og observerede in situ, hvordan det udviklede sig ved temperaturer op til 1000 grader Celsius og tryk op til 20 kilobar. "Eksperimenterne var udfordrende, fordi vi var nødt til at begrænse flydende svovl og udføre in situ kvantitative røntgenmålinger med høj nøjagtighed, "forklarer Laura Henry, Ph.d. studerende dengang og første forfatter.

Første bevis på et væske-væske-kritisk punkt:overgangens singularitet

Efter at have fundet beviserne for væske-væske-overgangen, holdet havde en overraskelse. Fréderic Datchi, CNRS -forskningsdirektør på "Sorbonne Université" minder om, "Helt uventet, der var den, vi fandt det, vi kender som et 'kritisk punkt, 'en egenart, hvor fysiske egenskaber ændrer sig drastisk. "På det kritiske punkt, ændringen i tæthed mellem de to væsker forsvinder, således kan man gå kontinuerligt fra den ene fase til den anden. Men tæt på det, systemet 'tøver' mellem de to stater, producere store tæthedsudsving, et fænomen kendt som kritisk opalescens. Superkritiske væsker, det er væsker under tryk og opvarmet over det 'normale' væskegaskritiske punkt, bruges stærkt i den kemiske industri, fordi de er meget gode opløsningsmidler. På den anden side, det kritiske punkt, der afsluttede en væske-væske-overgang, var til dato kun et teoretisk objekt. Dens eksistens i flydende vand blev formodet til at forklare dens mange fysiske anomalier, og aktivt søgt efter i eksperimenter siden 1990'erne, indtil videre uden held.

Dette udgør således det første eksperimentelle bevis for eksistensen af ​​et væske-væske-kritisk punkt i ethvert system hidtil. Da det er placeret i et tryk-temperatur domæne, der er tilgængeligt ved eksperiment, det giver en unik mulighed for at studere kritiske fænomener forbundet med LLT'er og har således en generel værdi ud over det specifikke svovlsystem.

EBS:at tage faseovergange til det næste niveau

Med den ekstremt strålende kilde, den nye generation af synkrotronmaskine fra ESRF, eksperimenter med væske-væske-overgang vil gå mere i dybden:stigningen i fotonstrømning og sammenhæng vil give forskere mulighed for at spore meget hurtige fænomener, og følg derfor udsvingene omkring det kritiske punkt.

"I større forstand, denne forskning kan åbne døre for at forstå kompleksiteten af ​​væsketilstanden i andre vigtige systemer såsom vand, "slutter Mezouar.