En långvarig samexistens i icke-jämviktsfas i superkritiska vätskor har observerats av ett koreanskt forskarlag.

Ett team av forskare ledda av professor Gunsu S. Yun från POSTECHs institution för fysik och avdelningen för avancerad kärnteknik och professor Dong Eon Kim från institutionen för fysik och Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative (MPK) har observerat ojämvikten fassamexistens i superkritiska vätskor som varar flera timmar. Forskarna förklarade fenomenet genom en masstransportmodell vid fassamexistensgränssnittet, där transporten sker i bitar av nanostora kluster istället för enstaka atomer.

Det har varit accepterat som vetenskaplig kunskap i cirka 200 år att när temperaturen och trycket i en vätska stiger över en viss nivå som kallas den kritiska punkten, gränsen mellan vätska och gas försvinner och ett tillståndsförändring sker inte längre. Dock, på 2010-talet, forskningsresultat rapporterade att superkritiska vätskor kan ha vätske- eller gasegenskaper beroende på temperatur- och tryckförhållanden. Sedan dess, det har kontinuerligt bekräftats genom olika experiment och simuleringar att flera tillstånd existerar i det superkritiska vätskeområdet. Dock, möjligheten av ett tillstånd där ett flertal faser samexisterar snarare än en enda fas vid samma temperatur och tryckpunkt – det vill säga, ett tillstånd liknande det där en allmän vätska och gas samexisterar efter fasseparation — har inte diskuterats.

Till detta, den gemensamma forskargruppen, i processen att tillverka en superkritisk argonvätska med hjälp av en högtryckskammare som arbetar i på varandra följande kompressionsexpansionscykler, visade ett tillstånd där en stor mängd argondroppar (bildade av adiabatisk expansionskylning) samexisterar med den gasliknande superkritiska bakgrunden samtidigt som de bibehåller sina vätskeliknande egenskaper. Tillståndet där dessa två faser samexisterar isolerat består överraskande länge och forskarna presenterade en ny masstransportmodell förmedlad av nanokluster - en förbättring av den konventionella förångningsmodellen - för att förklara fenomenet.

Superkritiska vätskor används i olika industrier som värmeväxlingssystem i kraftverk, farmaceutiska processer, halvledarrengöring, och livsmedelsbearbetning tack vare deras fördelaktiga egenskaper som låg viskositet och hög löslighet. Samexistensen av icke-jämviktsfas i superkritiska vätskor som upptäcktes i denna studie har en betydande inverkan på de fysikaliska och kemiska egenskaperna såsom värmekapacitet, värmeledningsförmåga, och viskositet, vilket kan visa sig vara viktigt för superkritisk vätskebearbetning i industriella tillämpningar.

Dessutom, denna prestation är av betydande akademiskt värde eftersom den lade grunden för relaterad forskning genom att för första gången identifiera den samexistens i icke-jämviktsfas av superkritiska vätskor, som är ett outforskat område.

"Forskning om icke-jämvikt hos superkritiska vätskor är inte bara till hjälp i industriella processer, men också till hjälp för att förstå olika superkritiska vätskor som finns i den naturliga världen, som i atmosfären på planeter som Venus och Jupiter, vulkanutbrott, och vätskor i jordskorpan, ", kommenterade professor Gunsu S. Yun som deltog som en motsvarande författare i studien. "Våra resultat kommer att bidra till att förstå transportegenskaperna hos superkritiska vätskor." "Vi bedriver forskning för att teoretiskt tolka samexistens i icke-jämviktsfas i superkritiska vätskor bortom experimentella resultat."

Resultaten från denna studie publicerades den 30 juli, 2021 in Naturkommunikation. Forskningen utfördes med stöd från National Research Foundation of Korea och Max Planck Korea/POSTECH Research Initiative.