|
Представление о гибридном состоянии вещества
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, дает замечательное представление о загадочном поведении сверхкритических жидкостей - гибридном состоянии вещества, занимающем уникальное пространство между жидкостями и газами и возникающем в самых разных областях - от фармацевтической промышленности до планетологии. Полученные результаты находятся на пределе современных экспериментальных возможностей и могут быть получены только при использовании высокопоточного источника нейтронов, такого как Институт Лауэ-Ланжевена (Иллинойс). Жидкое или газообразное вещество, которое выходит за пределы своей критической точки (т.е. за пределы температуры и давления, при которых уже невозможно провести различие между жидкостью и газом), называется сверхкритической жидкостью. Все еще малоизвестные и не поддающиеся общепринятым классификациям сверхкритические жидкости обладают способностью выделяться подобно газу и растворять материалы подобно жидкости.
|
|
|
|
Эта двойственность сделала их незаменимыми для множества промышленных применений, от фармацевтической промышленности до производства кофейных зерен без кофеина. С другой стороны, они имеют решающее значение для понимания планет-гигантов, таких как Юпитер и Нептун, где могут царить сходные состояния материи. Международная группа исследователей из Университета Сапиенца (Рим, Италия), ILL (Гренобль, Франция), Федеральной политехнической школы (Лозанна, Швейцария), CNRS (Франция) и CNR (Италия) получила экспериментальное доказательство того, что молекулярная диффузия в сверхтекучей среде переходит от газообразного к жидкообразному поведению по всему телу. так называемая линия Видома (термодинамическая линия, которая расширяет кривую насыщенного пара выше критической точки). Переход происходит постепенно в узком диапазоне давлений.
|
|
|
Команда исследовала диффузию молекул в сверхкритической жидкости — важнейший параметр, отражающий подвижность молекул в жидкости, — имея в виду фундаментальный вопрос: можем ли мы точно определить область соотношения давления и температуры, в которой поведение сверхкритической жидкости меняется от газообразного к жидкообразному? В то время как теоретические модели предлагали различные границы такого перехода (в том числе линию Уидома), экспериментальная проверка до сих пор оставалась труднодостижимой. Этот результат был получен в результате сложных экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов (QENS) при высоком давлении на сверхкритическом метане, проведенных в ILL в Гренобле. В ILL нейтроны используются для исследования материалов и процессов всеми возможными способами в очень широком диапазоне областей. В этом исследовании пучок нейтронов был направлен на ячейку, содержащую метан в сверхкритических условиях. Интенсивность пучка нейтронов, рассеянных образцом, была измерена как функция обмена энергией в интересующем диапазоне (т.е. в диапазоне энергий, где происходят явления молекулярной диффузии в веществе, так называемый квазиупругий режим).
|
|
|
|
Измерения проводились при постоянной температуре T=200 К (выше критической T=190 К), при изменении давления метана от нескольких бар до очень высоких давлений (достигающих почти 3 Кбар; критическое давление составляет P=45 бар). Эксперименты проводились на инструменте IN6-ДИЕЗ. Авторы подчеркивают поразительно четкие экспериментальные данные: "В то время как при давлении ниже приблизительно 50 бар наблюдается сигнал диффузионной динамики, характерный для газовых систем, мы смогли наблюдать, что по мере повышения давления выше этого уровня сигнал постепенно меняется, пока не примет типичную форму жидкостей". объясняет автор Алессио Де Франческо (научный сотрудник CNR и ILL). Этот результат стал возможен благодаря высокоточному источнику нейтронов и уникальному экспериментальному оборудованию, имеющемуся в распоряжении ILL. "Эти измерения находятся на пределе современных экспериментальных возможностей и были немыслимы еще несколько лет назад", - добавляет Фердинандо Формизано (исследователь CNR и ILL). "Как часто бывает в научных исследованиях, открытие двери означает открытие новых возможностей для исследований, и эта цель может быть достигнута только благодаря доступу к крупным исследовательским объектам".
|
|
|
|
Источник
|
