Ученые из Лондонского университета королевы Марии сделали два открытия о поведении «сверхкритической материи» — материи в критической точке, где различия между жидкостями и газами, по-видимому, исчезают.

В то время как поведение материи при относительно низких температуре и давлении было хорошо изучено, картина материи при высокой температуре и давлении была размытой. Выше критической точки различия между жидкостями и газами, по-видимому, исчезают, и считалось, что сверхкритическое вещество становится горячим, плотным и однородным.

Исследователи полагали, что в этом вопросе в сверхкритическом состоянии еще предстоит открыть новую физику.

Применяя два параметра — теплоемкость и длину, на которую волны могут распространяться в системе, они сделали два ключевых открытия. Во- первых, они обнаружили, что между ними существует фиксированная точка инверсии , в которой материя меняет свои физические свойства — с жидкоподобных на газообразные. Они также обнаружили, что эта точка инверсии удивительно близка во всех изученных системах, что говорит нам о том, что сверхкритическая материя интригующе проста и поддается новому пониманию.

Помимо фундаментального понимания состояний материи и диаграммы фазовых переходов, понимание сверхкритической материи имеет множество практических применений; водород и гелий являются сверхкритическими на газовых планетах-гигантах, таких как Юпитер и Сатурн, и поэтому определяют их физические свойства. В экологически чистых приложениях сверхкритические жидкости также оказались очень эффективными при уничтожении опасных отходов, но инженеры все чаще нуждаются в теоретическом руководстве для повышения эффективности сверхкритических процессов.

Костя Траченко, профессор физики Лондонского университета королевы Марии, сказал: «Утверждаемая универсальность сверхкритической материи открывает путь к новой физически прозрачной картине материи в экстремальных условиях. Это захватывающая перспектива с точки зрения фундаментальных физике, а также понимание и прогнозирование сверхкритических свойств в экологически чистых приложениях, астрономии и других областях.

«Это путешествие продолжается, и, вероятно, в будущем его ждут захватывающие события. Например, оно вызывает вопрос о том, связана ли фиксированная точка инверсии с обычными фазовыми переходами более высокого порядка? Можно ли ее описать, используя существующие идеи, связанные с теория фазового перехода, или нужно что-то новое и совершенно другое? По мере того, как мы расширяем границы того, что известно, мы можем определить эти новые волнующие вопросы и начать искать ответы».

Методология

Основная проблема с пониманием сверхкритической материи заключалась в том, что теории газов, жидкостей и твердых тел были неприменимы. Оставалось неясным, какие физические параметры раскрывают наиболее важные свойства сверхкритического состояния.

Вооружившись более ранним пониманием жидкостей при более низких температуре и давлении, исследователи использовали два параметра для описания сверхкритической материи.

1. Первый параметр является обычно используемым свойством: это теплоемкость, показывающая, насколько эффективно система поглощает тепло, и содержащая важную информацию о степенях свободы системы.

2. Второй параметр встречается реже: это длина, на которую могут распространяться волны в системе. Эта длина определяет фазовое пространство, доступное фононам. Когда эта длина достигает наименьшего возможного значения и становится равной межатомному расстоянию, происходит нечто действительно интересное.

Ученые обнаружили, что по этим двум параметрам материя в экстремальных условиях высокого давления и температуры становится удивительно универсальной.

Эта универсальность двойственна. Во-первых, на графике зависимости теплоемкости от длины волны имеется поразительная фиксированная точка инверсии, которая соответствует переходу между двумя физически различными надкритическими состояниями: жидкоподобным и газоподобным состояниями. При пересечении этой точки инверсии сверхкритическое вещество меняет свои основные физические свойства . Важно отметить, что точка инверсии служит недвусмысленным способом разделения двух состояний — то, что уже некоторое время занимает умы ученых.

Во-вторых, расположение этой точки инверсии удивительно близко во всех типах исследованных систем. Эта вторая универсальность заметно отличается от всех других известных точек перехода. Например, две из этих точек перехода — тройная точка, где сосуществуют все три состояния вещества (жидкое, газообразное, твердое), и критическая точка , где заканчивается линия кипения газ — жидкость, — различны в разных системах. С другой стороны, одна и та же точка инверсии во всех системах при экстремальных сверхкритических условиях говорит нам о том, что сверхкритическая материя интригующе проста.

Раскрытие и доказательство этой простоты является основным результатом статьи «Двойная универсальность перехода в сверхкритическое состояние », опубликованной в журнале Science Advances.