Forskare från ESRF, tillsammans med team från CEA och CNRS/Sorbonne Université, har hittat beviset för en vätska-till-vätskeövergång i svavel och en ny typ av kritisk punkt som slutar denna övergång. Deras verk publiceras i Natur .

Överallt i miljön sker fasövergångar ständigt. De mest kända exemplen på fasövergångar är när vatten byter tillstånd från fast till vätska eller gas till vätska vid 0 grader C och 100 grader C, respektive, vid atmosfärstryck. Trots förekomsten av dessa händelser i naturen, forskare förstår fortfarande inte helt hur dessa övergångar sker på mikroskopisk nivå.

Bland de många fallen av fasövergångar, de som involverar en latent värme och en diskontinuerlig förändring av densitet kallas första ordning. Första ordningens övergångar är mycket vanliga i fast tillstånd, och inkludera till exempel den från grafit till diamant, och halvledaren till metallövergången i kisel.

Dock, under flera år trodde ingen att det kunde finnas någon form av första ordningens övergång som separerar två vätskefaser av samma rena och isotropa substans. Med det nya årtusendet, saker förändrades. A Natur papper år 2000 av Y. Katayama et al., från den japanska synchrotron Spring-8, gav bevis på en vätska-till-vätska-övergång som genomgått i fosfor.

"Det var ett riktigt genombrott, eftersom det förändrade hur det flytande tillståndet uppfattades av det vetenskapliga samfundet, "förklarar Mohamed Mezouar, forskare med ansvar för beamline ID27 vid ESRF och motsvarande författare till den nya publikationen. "Idag visar vi det andra direkta beviset på en sådan övergång i flytande svavel, "tillägger Mezouar." Vi valde svavel eftersom svavel och fosfor uppvisar viktiga likheter när de utsätts för höga tryck och temperaturer, "förklarar han." Dessutom, Jag visste att det var en bra kandidat eftersom den redan visade en intressant variation av fasta former, antingen molekylär eller polymer, kristallint eller amorft. "Svavel är också ett av de viktigaste elementen, används i många applikationer såsom gummidäck, svavelsyra, gödningsmedel, etc.

Om forskare inte har kunnat hitta bevis på annan vätska-vätskeövergång i någon annan ren och stabil vätska sedan 2000, det är för att den här typen av omvandling är bristfällig och dåligt förstådd ännu. Beräkningar har förutsagt att övergångar kommer att ske i flytande väte, kväve och koldioxid men vid mycket höga tryck- och temperaturförhållanden, fortfarande svårt att undersöka. Experimenten med den aktuella publikationen ägde rum på ID27, där ESRF -teamet, tillsammans med forskare från CEA och CNRS/Sorbonne Université i Paris, applicerade tryck på flytande svavel och observerade in situ hur det utvecklades vid temperaturer upp till 1000 grader Celsius och tryck upp till 20 kilobar. "Experimenten var utmanande eftersom vi var tvungna att begränsa flytande svavel och utföra in situ kvantitativa röntgenmätningar med hög noggrannhet, "förklarar Laura Henry, Ph.D. student vid den tiden och första författare.

Första beviset på en vätska-vätskekritisk punkt:övergångens singularitet

Efter att ha hittat bevisen för övergången mellan vätska och vätska, laget hade en överraskning. Fréderic Datchi, CNRS -forskningsdirektör vid "Sorbonne Université" påminner om, "Helt oväntat, där var det, vi fann det vi vet som en 'kritisk punkt, 'en singularitet där fysiska egenskaper förändras drastiskt. "Vid den kritiska punkten, förändringen i densitet mellan de två vätskorna försvinner, således kan man gå kontinuerligt från en fas till den andra. Hur nära som helst, systemet "tvekar" mellan de två staterna, producerar fluktuationer med stor densitet, ett fenomen som kallas kritisk opalescens. Superkritiska vätskor, det vill säga vätskor under tryck och uppvärmning över den "normala" vätskegaskritiska punkten används mycket i den kemiska industrin eftersom de är mycket bra lösningsmedel. Å andra sidan, den kritiska punkten som avslutade en vätske-vätskeövergång var hittills endast ett teoretiskt föremål. Dess existens i flytande vatten var tänkt att förklara dess många fysiska avvikelser, och aktivt sökt efter i experiment sedan 1990 -talet, hittills utan framgång.

Detta utgör alltså det första experimentella beviset på förekomsten av en vätskeklart kritisk punkt i något system hittills. Eftersom den ligger i en tryck-temperatur-domän som är tillgänglig genom experiment, det ger ett unikt tillfälle för studier av kritiska fenomen associerade med LLT och har därmed ett allmänt värde utöver det specifika svavelsystemet.

EBS:tar fasövergångar till nästa nivå

Med den extremt lysande källan, den nya generationen av synkrotronmaskin för ESRF, experiment med vätska-vätskeövergång kommer att gå djupare in:ökningen av fotonflöde och koherens gör det möjligt för forskare att spåra mycket snabba fenomen, och följaktligen observera fluktuationerna kring den kritiska punkten.

"I större mening, denna forskning kan öppna dörrar för att förstå komplexiteten i vätskeformen i andra viktiga system som vatten, "avslutar Mezouar.