En studie publicerad nu i Nature Communications ger anmärkningsvärda insikter i det gåtfulla beteendet hos superkritiska vätskor, ett hybridtillstånd av materia som upptar ett unikt utrymme mellan vätskor och gaser, och som uppstår i domäner som går från läkemedelsindustrin till planetvetenskap. De erhållna resultaten är vid gränsen för nuvarande experimentella möjligheter och kunde endast erhållas i en neutronkälla med högt flöde, såsom Institut Laue-Langevin (ILL).

En flytande eller gasformig substans som skjuts förbi sin kritiska punkt (d.v.s. bortom den temperatur och det tryck vid vilka skillnaden mellan vätska och gas inte längre kan göras) kallas en superkritisk vätska. Fortfarande föga kända och trotsar konventionella klassificeringar, superkritiska vätskor har förmågan att strömma ut som en gas samtidigt som de löser upp material som en vätska.

Denna dualitet har gjort dem ovärderliga i en myriad av industriella tillämpningar, från farmaceutisk bearbetning till koffeinfria kaffebönor. Å andra sidan är de avgörande för att förstå gigantiska planeter som Jupiter och Neptunus, där liknande tillstånd av materia kan härska.

Ett internationellt team av forskare från Sapienza University (Rom, Italien) ILL (Grenoble, Frankrike), Ecole Polytechnique Federal (Lausanne, Schweiz), CNRS (Frankrike) och CNR (Italien) erhöll experimentella bevis på att molekylär diffusion i en supervätska växlar från gasformig -liknande beteende till vätskeliknande beteende över den så kallade Widom-linjen (en termodynamisk linje som förlänger kurvan för mättad ånga över den kritiska punkten). Övergången sker gradvis inom ett smalt tryckområde.

Teamet undersökte diffusionen av molekyler i en superkritisk vätska - en avgörande parameter som återspeglar rörligheten för molekyler i vätskan - med en grundläggande fråga i åtanke:kan vi fastställa ett område av tryck-temperatur där beteendet hos en superkritisk vätska kommer från gas -liknande till vätskeliknande? Även om teoretiska modeller har föreslagit olika sådana övergångsgränser (bland dem Widom-linjen) hade experimentell validering hittills varit svårfångad.

Detta resultat erhölls genom utmanande, högtrycks, kvasi-elastisk neutronspridning (QENS) experiment på superkritisk metan utförda vid ILL, i Grenoble. På ILL används neutroner för att utforska material och processer på alla möjliga sätt inom ett mycket brett spektrum av domäner.

I denna studie skickades en neutronstråle till en cell som innehöll metan under superkritiska förhållanden. Intensiteten hos neutronstrålen som spreds av provet mättes som en funktion av energin som utbyttes inom området av intresse (dvs i energiområdet där molekylära diffusionsfenomen i materia uppträder, den så kallade kvasi-elastiska regimen).

Mätningarna skedde vid konstant temperatur T=200 K (över den kritiska T=190 K) och varierade metantrycket från några bar upp till mycket höga tryck (nådde nästan 3 Kbar; det kritiska trycket är P=45 bar) . Experimenten utfördes på ILL-instrumentet IN6-SHARP.

Författarna understryker de slående tydliga experimentella bevisen, "Medan vid tryck lägre än cirka 50 bar observeras signalen för diffusionsdynamiken som är typisk för gasformiga system, har vi kunnat observera att när trycket ökar över det, utvecklas signalen progressivt tills det antar den typiska formen av vätskor", förklarar författaren Alessio De Francesco (forskare vid CNR och ILL).

Resultatet möjliggjordes tack vare neutronkällan med högt flöde och de unika experimentella stödfaciliteter som finns tillgängliga vid ILL. "Dessa mätningar är vid gränsen för nuvarande experimentella möjligheter och var otänkbara tills för några år sedan", tillägger Ferdinando Formisano (forskare vid CNR och ILL).

"Som ofta händer inom forskning innebär att ha öppnat en dörr att se nya vägar att utforska, och detta mål kan bara uppnås tack vare tillgången till stora forskningsanläggningar."