Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare vid Queen Mary University of London har gjort två upptäckter om beteendet hos "superkritisk materia" - materia vid den kritiska punkten där skillnaderna mellan vätskor och gaser till synes försvinner.
Även om materiens beteende vid rimligt låg temperatur och tryck var väl förstått, var bilden av materia vid hög temperatur och högt tryck suddig. Ovanför den kritiska punkten verkar skillnaderna mellan vätskor och gaser försvinna, och det superkritiska materialet ansågs bli varmt, tätt och homogent.
Forskarna trodde att det fanns ny fysik som ännu inte har avslöjats om denna fråga i det superkritiska tillståndet.
Genom att tillämpa två parametrar – värmekapaciteten och längden över vilken vågor kan fortplanta sig i systemet, gjorde de två viktiga upptäckter. Först fann de att det finns en fast inversionspunkt mellan de två där materia ändrar sina fysikaliska egenskaper - från vätskeliknande till gasliknande. De fann också att denna inversionspunkt är anmärkningsvärt nära i alla studerade system, vilket säger oss att den superkritiska materien är spännande enkel och mottaglig för ny förståelse.
Förutom grundläggande förståelse av materiens tillstånd och fasövergångsdiagrammet har förståelsen av superkritisk materia många praktiska tillämpningar; väte och helium är superkritiska i gasjätteplaneter som Jupiter och Saturnus, och styr därför deras fysiska egenskaper. I miljövänliga tillämpningar har superkritiska vätskor också visat sig vara mycket effektiva för att förstöra farligt avfall, men ingenjörer vill ha vägledning från teorin för att förbättra effektiviteten i superkritiska processer.
Kostya Trachenko, professor i fysik vid Queen Mary University of London, sa:"Den påstådda universaliteten av den superkritiska materien öppnar en väg till en ny fysiskt transparent bild av materia under extrema förhållanden. Detta är ett spännande perspektiv ur grundläggande synvinkel. fysik såväl som att förstå och förutsäga superkritiska egenskaper i gröna miljötillämpningar, astronomi och andra områden.
"Den här resan pågår och kommer sannolikt att se spännande utvecklingar i framtiden. Den bjuder till exempel på frågan om den fasta inversionspunkten är relaterad till konventionella fasövergångar av högre ordning? Kan det beskrivas med hjälp av de befintliga idéerna som ingår i fasövergångsteorin, eller behövs något nytt och helt annorlunda? När vi tänjer på gränserna för vad som är känt kan vi identifiera dessa nya spännande frågor och börja leta efter svar."
Metodik
Det största problemet med att förstå superkritisk materia var att teorier om gaser, vätskor och fasta ämnen inte var tillämpliga. Det förblev oklart vilka fysikaliska parametrar som skulle avslöja de mest framträdande egenskaperna hos det superkritiska tillståndet.
Beväpnade med tidigare kunskaper om vätskor vid lägre temperatur och tryck, använde forskare två parametrar för att beskriva det superkritiska ämnet.
1. Den första parametern är den vanliga egenskapen:detta är värmekapaciteten som visar hur effektivt systemet absorberar värme och innehåller viktig information om systemets frihetsgrader.
2. Den andra parametern är mindre vanlig:detta är längden över vilken vågor kan fortplanta sig i systemet. Denna längd styr fasutrymmet som är tillgängligt för fononer. När denna längd når sitt minsta möjliga värde och blir lika med den interatomära separationen, händer något riktigt intressant.
Forskarna fann att när det gäller dessa två parametrar blir ämnet vid extrema förhållanden med högt tryck och temperatur anmärkningsvärt universellt.
Denna universalitet är tvåfaldig. För det första har diagrammet av värmekapacitet vs vågutbredningslängd en slående fast inversionspunkt som motsvarar övergången mellan två fysiskt olika superkritiska tillstånd:vätskeliknande och gasliknande tillstånd. När den korsar denna inversionspunkt ändrar den superkritiska materien sina fysiska nyckelegenskaper. Inversionspunkten fungerar viktigt som ett entydigt sätt att skilja de två tillstånden åt – något som har upptagit forskarnas sinnen under en tid.
För det andra är platsen för denna inversionspunkt anmärkningsvärt nära i alla typer av studerade system. Denna andra universalitet skiljer sig särskilt från alla andra kända övergångspunkter. Till exempel är två av dessa övergångspunkter - trippelpunkten där alla tre materiatillstånden (vätska, gas, fast) samexisterar och den kritiska punkten där gas-vätskekokningslinjen slutar - är olika i olika system. Å andra sidan säger samma inversionspunkt i alla system vid extrema superkritiska förhållanden att den superkritiska materien är fascinerande enkel.
Att avslöja och bevisa denna enkelhet är huvudresultatet av artikeln "Dubbel universalitet av övergången i det superkritiska tillståndet", publicerad i Science Advances . + Utforska vidare
