Observation af quasi-ligevægtsfase-sameksistens i superkritiske væsker

En langvarig ikke-ligevægtsfase-sameksistens i superkritiske væsker er blevet observeret af et koreansk forskerhold.

Et team af forskere ledet af professor Gunsu S. Yun fra POSTECHs Institut for Fysik og Afdelingen for Avanceret Nuklear Engineering og professor Dong Eon Kim fra Institut for Fysik og Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative (MPK) har observeret uligevægten fase sameksistens i superkritiske væsker, der varer flere timer. Forskerne forklarede fænomenet gennem en massetransportmodel ved fase-sameksistensgrænsefladen, hvor transporten sker i bidder af nanostore klynger i stedet for enkelte atomer.

Det har været accepteret som videnskabelig viden i omkring 200 år, at når temperaturen og trykket af en væske stiger over et vist niveau kaldet det kritiske punkt, grænsen mellem væske og gas forsvinder, og der sker ikke længere en tilstandsændring. Imidlertid, i 2010'erne, forskningsresultater rapporterede, at superkritiske væsker kan have væske- eller gasegenskaber afhængigt af temperatur- og trykforhold. Siden da, det er løbende blevet bekræftet gennem forskellige eksperimenter og simuleringer, at der eksisterer flere tilstande i det superkritiske væskeområde. Imidlertid, muligheden for en tilstand, hvor en flerhed af faser eksisterer side om side i stedet for en enkelt fase ved samme temperatur og trykpunkt - dvs. en tilstand svarende til den, hvor en generel væske og gas eksisterer side om side efter faseadskillelse - er ikke blevet diskuteret.

Til dette, det fælles forskerhold, i færd med at fremstille en superkritisk argonvæske ved hjælp af et højtrykskammer, der fungerer i på hinanden følgende kompressions-ekspansionscyklusser, demonstreret en tilstand, hvor en stor mængde argon-dråber (dannet ved adiabatisk ekspansionskøling) sameksisterer med den gaslignende superkritiske baggrund, mens de bibeholder deres væskelignende egenskaber. Den tilstand, hvor disse to faser eksisterer side om side i isolation, varer overraskende længe, ​​og forskerne præsenterede en ny massetransportmodel medieret af nano-klynger - en forbedring af den konventionelle fordampningsmodel - for at forklare fænomenet.

Superkritiske væsker bliver brugt i forskellige industrier såsom varmevekslingssystemer i kraftværker, farmaceutiske processer, rensning af halvledere, og fødevareforarbejdning takket være deres gavnlige egenskaber såsom lav viskositet og høj opløselighed. Den ikke-ligevægtsfase-sameksistens i superkritiske væsker opdaget i denne undersøgelse har en betydelig indvirkning på de fysiske og kemiske egenskaber såsom varmekapacitet, varmeledningsevne, og viskositet, hvilket kan vise sig vigtigt for superkritisk væskebehandling i industrielle applikationer.

Ud over, denne præstation er af betydelig akademisk værdi, idet den lagde grundlaget for relateret forskning ved for første gang at identificere den ikke-ligevægtsfase-sameksistens af superkritiske væsker, som er et uudforsket område.

"Forskning i uligevægt af superkritiske væsker er ikke kun nyttig i industrielle processer, men også nyttige til at forstå forskellige superkritiske væsker, der findes i den naturlige verden, som i atmosfæren på planeter som Venus og Jupiter, Vulkanudbrud, og væsker i jordskorpen, " bemærkede professor Gunsu S. Yun, der deltog som en medkorresponderende forfatter i undersøgelsen. "Vores resultater vil bidrage til at forstå transportegenskaberne af superkritiske væsker." Han tilføjede, "Vi udfører forskning for teoretisk at fortolke ikke-ligevægtsfase-sameksistens i superkritiske væsker ud over eksperimentelle resultater."

Resultaterne fra denne undersøgelse blev offentliggjort den 30. juli, 2021 i Naturkommunikation. Forskningen blev udført med støtte fra National Research Foundation of Korea og Max Planck Korea/POSTECH Research Initiative.