Вещество в экстремальных условиях очень высокой температуры и давления оказывается удивительно простым и универсальным

Ученые совершили два открытия о поведении "сверхкритической материи" — вещества в критической точке, где разницы между жидкостями и газами, как кажется, исчезают.

Исследование провели учёные Лондонского университета королевы Марии. Их работа "Двойная универсальность перехода к сверхкритическому состоянию" была опубликована в журнале Science Advances.

Если поведение вещества при достаточно низкой температуре и давлении было хорошо изучено, то картина вещества при высокой температуре и давлении казалась размытой. Выше критической точки различия между жидкостями и газами на первый взгляд исчезают, и считается, что сверхкритическая материя становится горячей, плотной и однородной.

Исследователи считали, что в сверхкритическом состоянии вещества есть новая физика, которую еще предстоит раскрыть.

Применив два параметра – теплоемкость и длину, на которую волны могут распространяться в системе, они совершили два ключевых открытия. Во-первых, они обнаружили, что существует фиксированная точка инверсии между этими двумя параметрами, где вещества изменяет свои физические свойства – из жидкого состояния превращается в газообразное. Они также обнаружили, что эта точка инверсии удивительно близка во всех изученных системах, что говорит о том, что сверхкритическое вещество интригующе просто и поддается новому пониманию.

Помимо фундаментального понимания состояний вещества и диаграммы фазовых переходов, понимание сверхкритического вещества имеет множество практических применений. В частности, водород и гелий сверхкритичны в газовых планетах-гигантах, таких как Юпитер и Сатурн, и поэтому определяют их физические свойства. В экологических программах сверхкритические жидкости также доказали свою эффективность в уничтожении опасных отходов, но инженеры все больше нуждаются в наставлениях от теории, чтобы повысить эффективность сверхкритических процессов.

«Утверждение об универсальности сверхкритического вещества открывает путь к новому физически прозрачному веществу материи в экстремальных условиях. Это очень интересная перспектива с точки зрения фундаментальной физики, а также понимания и прогнозирования сверхкритических свойств в экологических приложениях, астрономии и других областях», – отмечает Константин Траченко, профессор физики Лондонского университета королевы Марии.

«Это путешествие продолжается, и, вероятно, в будущем нас ждут увлекательные события. К примеру, возникает вопрос, связана ли фиксированная точка инверсии с обычными фазовыми переходами высшего порядка? Можно ли описать ее, используя текущие идеи, заложенные в теории фазовых переходов, необходимо ли что-нибудь новое и совсем другое? Раздвигая границы известного, мы можем определить эти новые волнующие нас вопросы и начать поиск ответов».

Применяемая методология

Основная проблема в понимании сверхкритического вещества заключалась в том, что теории газов, жидкостей и твердых тел были неприменимы. Оставалось неясным, какие физические характеристики дозволят выявить важнейшие характеристики сверхкритического состояния.

Взяв на вооружение ранее полученные знания о жидкостях при более низкой температуре и давлении, исследователи использовали два параметра для описания сверхкритической материи.

1. Первый параметр является общепринятым свойством: это теплоемкость, показывающая, насколько эффективно система поглощает тепло и содержит важную информацию о степени свободы системы.

2. Второй параметр менее распространен: это длина, на которую волны могут распространяться в системе. Эта длина определяет фазовое пространство, доступное фотонам. Когда эта длина достигает наименьшего возможного значения и становится равной межатомному разделению, происходит действительно интересное.

Ученые обнаружили, что с точки зрения этих двух параметров вещество в экстремальных условиях высокого давления и температуры становится удивительно универсальным.

Эта универсальность проявляется вдвойне. Во-первых, график зависимости теплоемкости от длины распространения волны имеет поразительно фиксированную точку инверсии, соответствующую переходу между двумя физически разными сверхкритическими состояниями: жидкообразным и газообразным. При пересечении этой точки инверсии сверхкритическая материя изменяет ключевые физические свойства. Точка инверсии, что немаловажно, является однозначным способом разделения этих двух сословий — то, что занимало умы ученых в течение некоторого времени.

Во-вторых, расположение этой точки инверсии удивительно близко во всех типах исследуемых систем. Эта вторая универсальность заметно отличается от других известных точек перехода. Например, две из этих точек перехода – тройная точка, в которой сосуществуют все три состояния материи (жидкость, газ, твердое тело), и критическая точка, в которой заканчивается линия кипения газа и жидкости, – в разных системах расположены по-разному. С другой стороны, одна и та же точка инверсии во всех системах при экстремальных сверхкритических условиях говорит нам о том, что сверхкритическое вещество интригующе просто.

Источник: пресс-релиз Лондонского университета королевы Марии.