Wetenschappers van de ESRF, samen met teams van CEA en CNRS/Sorbonne Université, hebben het bewijs gevonden voor een vloeistof-naar-vloeistof overgang in zwavel en voor een nieuw soort kritiek punt dat deze overgang beëindigt. Hun werk is gepubliceerd in Natuur .

Overal in de omgeving treden continu faseovergangen op. De bekendste voorbeelden van faseovergangen zijn wanneer water verandert van vast naar vloeibaar of van gas naar vloeibaar bij 0 graden C en 100 graden C, respectievelijk, bij atmosferische druk. Ondanks de prevalentie van deze gebeurtenissen in de natuur, wetenschappers begrijpen nog steeds niet helemaal hoe deze overgangen op microscopisch niveau plaatsvinden.

Onder de vele gevallen van faseovergangen, die waarbij een latente warmte en een discontinue verandering van dichtheid betrokken zijn, worden eerste-orde genoemd. Overgangen van de eerste orde komen veel voor in de vaste toestand, en omvatten bijvoorbeeld die van grafiet tot diamant, en de overgang van halfgeleider naar metaal in silicium.

Echter, jarenlang heeft niemand gedacht dat er een eerste-orde-overgang zou kunnen zijn die twee vloeibare fasen van dezelfde zuivere en isotrope stof scheidt. Met de nieuwe millennia, dingen veranderden. EEN Natuur paper in het jaar 2000 door Y. Katayama et al., van de Japanse synchrotron Spring-8, gaf het bewijs van een vloeistof-naar-vloeistof overgang ondergaan in fosfor.

"Het was een echte doorbraak, omdat het de manier veranderde waarop de vloeibare toestand door de wetenschappelijke gemeenschap werd waargenomen, " legt Mohamed Mezouar uit, wetenschapper die verantwoordelijk is voor beamline ID27 bij de ESRF en corresponderende auteur van de nieuwe publicatie. "Vandaag tonen we het tweede directe bewijs van een dergelijke overgang in vloeibare zwavel, ", voegt Mezouar toe. "We hebben voor zwavel gekozen omdat zwavel en fosfor belangrijke overeenkomsten vertonen bij blootstelling aan hoge drukken en temperaturen, " legt hij uit. "Bovendien, Ik wist dat het een goede kandidaat was omdat het al een interessante variëteit aan vaste vormen liet zien, hetzij moleculair of polymeer, kristallijn of amorf." Zwavel is ook een van de belangrijkste elementen, wordt gebruikt in vele toepassingen zoals rubberen banden, zwavelzuur, meststoffen, enzovoort.

Als wetenschappers sinds 2000 geen bewijs hebben kunnen vinden voor een andere vloeistof-vloeistofovergang in een andere zuivere en stabiele vloeistof, het is omdat dit type transformatie schaars is en nog slecht wordt begrepen. Berekeningen hebben voorspeld dat er overgangen zullen plaatsvinden in vloeibare waterstof, stikstof en kooldioxide, maar bij zeer hoge druk en temperatuur, nog moeilijk te doorgronden. De experimenten van de huidige publicatie vonden plaats op ID27, waar het ESRF-team, samen met wetenschappers van het CEA en de CNRS/Sorbonne Université in Parijs, oefende druk uit op vloeibare zwavel en observeerde in situ hoe het evolueerde bij temperaturen tot 1000 graden Celsius en drukken tot 20 kilobar. "De experimenten waren een uitdaging omdat we vloeibare zwavel moesten beperken en in situ kwantitatieve röntgenmetingen met hoge nauwkeurigheid moesten uitvoeren, " legt Laura Hendrik uit, doctoraat destijds student en eerste auteur.

Eerste bewijs van een vloeistof-vloeistof kritisch punt:de singulariteit van de transitie

Na het vinden van het bewijs voor de vloeistof-vloeistof overgang, het team wachtte een verrassing. Frederic Datchi, CNRS-onderzoeksdirecteur bij "Sorbonne Université" herinnert zich, "Geheel onverwacht, daar was het, vonden we wat we kennen als een 'kritiek punt, ' een singulariteit waar fysieke eigenschappen drastisch veranderen." Op het kritieke punt, de verandering in dichtheid tussen de twee vloeistoffen verdwijnt, zo kan men continu van de ene fase naar de andere gaan. Hoe dicht er ook bij ligt, het systeem 'aarzelt' tussen de twee staten, grote dichtheidsfluctuaties veroorzaken, een fenomeen dat bekend staat als kritische opalescentie. Superkritische vloeistoffen, dat wil zeggen vloeistoffen die onder druk staan ​​en worden verwarmd tot boven het 'normale' kritieke punt van vloeibaar gas, worden veel gebruikt in de chemische industrie omdat het zeer goede oplosmiddelen zijn. Anderzijds, het kritieke punt dat een vloeistof-vloeistofovergang beëindigt, was tot op heden slechts een theoretisch object. Het bestaan ​​ervan in vloeibaar water werd verondersteld om de vele fysieke anomalieën te verklaren, en actief gezocht in experimenten sinds de jaren '90, tot nu toe zonder succes.

Dit vormt dus het eerste experimentele bewijs van het bestaan ​​van een vloeistof-vloeistof kritisch punt in elk systeem tot nu toe. Omdat het zich in een druk-temperatuurdomein bevindt dat experimenteel toegankelijk is, het biedt een unieke kans voor de studie van kritische verschijnselen die verband houden met LLT's en heeft dus een algemene waarde die verder gaat dan het specifieke zwavelsysteem.

EBS:faseovergangen naar een hoger niveau tillen

Met de extreem briljante bron, de nieuwe generatie synchrotron-machines van de ESRF, experimenten met vloeistof-vloeistofovergang zullen dieper gaan:de toename van de fotonflux en coherentie zullen wetenschappers in staat stellen om zeer snelle fenomenen te volgen, en observeer daarom de fluctuaties rond het kritieke punt.

"In ruimere zin dit onderzoek kan deuren openen om de complexiteit van de vloeibare toestand van andere belangrijke systemen zoals water, " besluit Mezouar.