Das Material erweist sich unter extremen Bedingungen extrem hoher Temperatur und Druck als bemerkenswert einfach und universell

Wissenschaftler der Queen Mary University of London haben zwei Entdeckungen über das Verhalten von „überkritischer Materie“ gemacht – Materie an dem kritischen Punkt, an dem die Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Gasen zu verschwinden scheinen.

Während das Verhalten von Materie bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken gut verstanden wurde, war das Bild von Materie bei hohen Temperaturen und Drücken unklar. Oberhalb des kritischen Punktes scheinen die Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Gasen zu verschwinden, und es wird angenommen, dass der überkritische Punkt heiß, dicht und homogen wird.

Die Forscher glauben, dass es eine neue, noch nicht enthüllte Physik der Materie im überkritischen Zustand gibt.

Durch die Anwendung von zwei Parametern – Wärmekapazität Und die Länge, mit der sich die Wellen im System ausbreiten können, machten sie zwei Hauptentdeckungen. Zuerst finden sie heraus, dass es eine Konstante gibt Betrachtung Der Punkt zwischen den beiden, an dem eine Substanz ihre physikalischen Eigenschaften ändert – von flüssigkeitsartig zu gasartig. Sie finden auch heraus, dass dieser Wendepunkt in allen untersuchten Systemen bemerkenswert nahe liegt, was uns sagt, dass überkritische Materie faszinierend einfach und für ein neues Verständnis zugänglich ist.

Neben einem grundlegenden Verständnis von Materiezuständen und einem Phasenübergangsdiagramm hat das Verständnis überkritischer Materie viele praktische Anwendungen; Wasserstoff und Helium sind in Gasriesenplaneten wie Jupiter und Saturn überkritisch und steuern damit deren physikalische Eigenschaften. In umweltfreundlichen Anwendungen, überkritische Flüssigkeiten Es hat sich auch bei der Vernichtung gefährlicher Abfälle als äußerst effektiv erwiesen, aber Ingenieure wünschen sich zunehmend eine theoretische Anleitung, um die Effizienz von überkritischen Vorgängen zu verbessern.

Kostya Trachenko, Professor für Physik an der Queen Mary University of London, sagte: „Die nachgewiesene Universalität überkritischer Materie ebnet den Weg zu einem neuen physikalisch transparenten Bild der Materie unter extremen Bedingungen. Dies ist aus grundlegender Sicht eine aufregende Aussicht. In.“ zusätzlich zum Verständnis und zur Vorhersage überkritischer Eigenschaften in Anwendungen für grüne Umgebungen, Astronomie und anderen Bereichen.

„Diese Reise geht weiter und wird wahrscheinlich in Zukunft spannende Entwicklungen mit sich bringen. Zum Beispiel stellt sie in Frage, ob ein stationärer Wendepunkt mit traditionellen Phasenübergängen höherer Ordnung zusammenhängt? Kann er mit aktuellen Ideen beschrieben werden, die in die Phasenübergangstheorie eingebettet sind? , oder besteht ein Bedarf an etwas völlig Neuem und Anderem? Wenn wir die Grenzen des Bekannten verschieben, können wir diese neuen spannenden Fragen identifizieren und nach Antworten suchen.“

Methodik

Das Hauptproblem beim Verständnis überkritischer Materie bestand darin, dass Theorien über Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe nicht anwendbar waren. Es bleibt unklar, welche physikalischen Parameter die hervorstechendsten Eigenschaften des überkritischen Zustands offenbaren werden.

Ausgestattet mit einem frühen Verständnis von Flüssigkeiten bei niedrigen Temperaturen und Drücken verwendeten die Forscher zwei Parameter, um einen überkritischen Wert zu beschreiben.

1. Der erste Parameter ist eine häufig verwendete Eigenschaft: Dies ist die Wärmekapazität, die angibt, wie effizient das System Wärme aufnimmt, und enthält grundlegende Informationen über die Freiheitsgrade des Systems.

2. Der zweite Parameter ist weniger verbreitet: die Länge, über die sich die Wellen im System ausbreiten können. Diese Länge steuert den für die Phononen verfügbaren Phasenraum. Wenn diese Länge den kleinstmöglichen Wert erreicht und gleich dem Abstand von Atomen wird, passiert etwas wirklich Interessantes.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass in Bezug auf diese beiden Parameter das Problem in harten Bedingungen Höherer Druck und höhere Temperatur werden bemerkenswert global.

Diese Universalität ist zweifach. Erstens hat das Diagramm der Wärmeamplitude über der Wellenausbreitungslänge einen erstaunlichen festen Wendepunkt, der dem Übergang zwischen zwei physikalisch unterschiedlichen überkritischen Zuständen entspricht: einem flüssigkeitsähnlichen und einem gasähnlichen Zustand. Beim Überqueren dieses Reflexionspunktes ändert die überkritische Substanz ihren Schalter physikalische Eigenschaften. Der Wendepunkt dient vor allem als eindeutige Möglichkeit, die beiden Zustände zu trennen – etwas, das Wissenschaftler seit einiger Zeit beschäftigt.

Zweitens ist die Lage dieses Wendepunkts in allen Arten von untersuchten Systemen bemerkenswert nahe. Diese zweite Welt unterscheidet sich deutlich von allen anderen bekannten Übergangspunkten. Zum Beispiel zwei dieser Übergangspunkte – der Tripelpunkt, an dem die drei Materiezustände (flüssig, gasförmig und fest) koexistieren und existieren kritischer Punkt Wo die Gas-Flüssigkeits-Siedelinie endet – variiert in verschiedenen Systemen. Andererseits sagt uns derselbe Wendepunkt in allen Systemen bei extrem überkritischen Bedingungen, dass überkritisch Ausgabe Es ist faszinierend einfach.

Diese Einfachheit aufzuzeigen und zu demonstrieren, ist das Hauptergebnis des Artikels „Double Universality of Transition in Super kritischer ZustandVeröffentlicht in Wissenschaftlicher Fortschritt.