Det första experimentella beviset för att validera en nyligen publicerad universell lag som ger insikter i de komplexa energitillstånden för vätskor har hittats med hjälp av en avancerad nukleär teknik vid ANSTO.

Verket har precis publicerats i Journal of Physical Chemistry Letters som redaktörens val och med på framsidan av tidskriften.

Ekvationen för tillståndens vibrationstäthet formulerad av Alessio Zaccone och Matteo Bagglioli publicerades i en tidning i PNAS 2021, vilket ger ett svar på en fråga som har varit svårfångad i minst ett sekel.

Den eleganta matematiska teorin har löst problemet med att få fördelningen av dessa komplexa energitillstånd för vätskor.

"En av de viktigaste storheterna i materiens fysik är fördelningen av frekvenserna eller vibrationsenergierna hos vågorna som utbreder sig i materialet. Det är särskilt viktigt eftersom det är utgångspunkten för att beräkna och förstå vissa grundläggande egenskaper hos materien, som specifik värme och värmeledningsförmåga, och ljus-materia-interaktionen, säger prof Zaccone på universitetet i Milanos webbplats.

"Det stora problemet med vätskor är att det, förutom akustiska vågor, finns andra typer av vibrationsexcitationer relaterade till låga energier av atomers och molekylers oordnade rörelse - excitationer som nästan saknas i fasta ämnen. Dessa excitationer är vanligtvis kortlivade och är kopplade till det dynamiska kaoset av molekylära rörelser men är ändå väldigt många och viktiga, särskilt vid låga energier. Matematiskt är dessa excitationer, kända som "momentana normala lägen" eller INMs i den specialiserade litteraturen mycket svåra att hantera eftersom de motsvarar dem. till energitillstånd som beskrivs av imaginära tal."

Time-of-flight neutronspektrometern Pelican vid ANSTOs Center for Neutron Scattering har använts för att mäta vibrationstätheterna i tillstånd för flera vätskesystem inklusive vatten, flytande metall och polymervätskor. Pelican-instrumentet har den extrema känsligheten att mäta rotations- och translationsvibrationer över korta tidsintervall och vid låga energier.

Experimenten vid ANSTO bekräftade det linjära sambandet mellan vibrationstätheten hos tillstånd och frekvens vid låga energier som förutspåtts av Alessio Zaccone och Matteo Bagglioli, som visas i figuren nedan.

Med covid-låsningen, ingen tillgång till instrument, det lilla teamet som inkluderade University of Wollongong Ph.D. kandidat Caleb Stamper, Dr Cortie och Dr Yu bestämde sig för att fokusera på att omanalysera tidigare experimentella data från ett nytt perspektiv, för att validera den nya lagen, inspirerad av det teoretiska arbetet från Alessio Zaccone och Matteo Bagglioli.

"Övningen ger inte bara ett så bra resultat utan ger också en bra introduktion av neutronspektroskopi till Caleb, som har gjort ett utmärkt jobb", säger Dr Yu som Calebs ANSTO-handledare och motsvarande författare till artikeln.

Arbetet skulle också hjälpa dem att ta itu med frågor som rör fasövergångar i superjoniska vätskor i deras arbete med termoelektriska material.

"Stora utmaningar uppstår eftersom vätskor inte är mekaniskt stabila, eftersom atomerna i en vätska diffunderar och vätskan som helhet kommer att flöda", förklarade Dr. Cortie.

Den universella lagen är baserad på ett teoretiskt ramverk, känt som momentana normala lägen, som beskrivs av Prof Zaccone ovan, som föreskriver en uppsättning momentana krafter, frekvenser och hastigheter som kvantiteter.

En komplikation i att härleda en teori för att förutsäga vibrationstätheten för tillstånd i vätskor uppstod på grund av närvaron av en liten bråkdel av "imaginära lägen."

"Imaginära lägen är viktiga eftersom de representerar det faktum att en vätska inte är stabil. Atomerna i en vätska interagerar starkt med varandra hela tiden men inte på samma sätt som ett fast ämne gör. Förhållandet är inte "harmoniskt" vilket betyder att atomerna kommer inte att återställas till samma konfiguration efter en interaktion. Atomerna kommer att fortsätta att diffundera snabbt och glida förbi varandra, säger Stamper.

"De imaginära lägena reflekterar den negativa krökningen på en vätskas potentiella energiyta. Det är ett mycket komplext energilandskap men om man tänker på analogin med en surfare på en havsvåg. Atomerna i vätskan följer vågens kurvor sig själv (se framsidan av journalen). Men atomerna kan vara i en position på krönet, under surfbrädan eller i tråget, alltid i rörelse," sa Dr. Yu.

"Lagen kommer att spela, för vätskor, samma centrala roll som Debye-lagen spelar för fasta ämnen. Den kommer att fungera som grunden för hela forskningsfältet som involverar vätskor och mer." + Utforska vidare

Molekylära "danser" avgör hur vätskor tar upp värme