Wetenschappers van de Queen Mary University in Londen hebben twee ontdekkingen gedaan over het gedrag van 'superkritische materie':materie op het kritieke punt waar de verschillen tussen vloeistoffen en gassen schijnbaar verdwijnen.

Hoewel het gedrag van materie bij redelijk lage temperatuur en druk goed werd begrepen, was het beeld van materie bij hoge temperatuur en druk wazig. Boven het kritieke punt lijken de verschillen tussen vloeistoffen en gassen te verdwijnen, en men dacht dat de superkritische materie heet, dicht en homogeen werd.

De onderzoekers geloofden dat er in de superkritische toestand nog nieuwe natuurkunde moest worden ontdekt over deze kwestie.

Door twee parameters toe te passen - de warmtecapaciteit en de lengte waarover golven zich in het systeem kunnen voortplanten, deden ze twee belangrijke ontdekkingen. Ten eerste ontdekten ze dat er een vast inversiepunt is tussen de twee waar materie zijn fysieke eigenschappen verandert - van vloeistofachtig naar gasachtig. Ze ontdekten ook dat dit inversiepunt opmerkelijk dichtbij ligt in alle bestudeerde systemen, wat ons vertelt dat de superkritische materie intrigerend eenvoudig is en vatbaar voor nieuw begrip.

Naast fundamenteel begrip van de toestanden van materie en het faseovergangsdiagram, heeft het begrijpen van superkritische materie veel praktische toepassingen; waterstof en helium zijn superkritisch in gasreuzenplaneten zoals Jupiter en Saturnus, en bepalen daarom hun fysieke eigenschappen. In groene milieutoepassingen hebben superkritische vloeistoffen ook bewezen zeer efficiënt te zijn in het vernietigen van gevaarlijk afval, maar ingenieurs willen steeds meer begeleiding vanuit de theorie om de efficiëntie van superkritische processen te verbeteren.

Kostya Trachenko, hoogleraar natuurkunde aan de Queen Mary University of London, zei:"De beweerde universaliteit van de superkritische materie opent de weg naar een nieuw fysiek transparant beeld van materie onder extreme omstandigheden. Dit is een opwindend vooruitzicht vanuit het oogpunt van fundamentele natuurkunde en het begrijpen en voorspellen van superkritische eigenschappen in groene omgevingstoepassingen, astronomie en andere gebieden.

"Deze reis is aan de gang en zal in de toekomst waarschijnlijk opwindende ontwikkelingen zien. Het roept bijvoorbeeld de vraag op of het vaste inversiepunt gerelateerd is aan conventionele faseovergangen van hogere orde? Kan het worden beschreven met behulp van de bestaande ideeën die betrokken zijn bij de faseovergangstheorie, of is er iets nieuws en heel anders nodig? Terwijl we de grenzen van het bekende verleggen, kunnen we deze nieuwe opwindende vragen identificeren en op zoek gaan naar antwoorden."

Methodologie

Het grootste probleem met het begrijpen van superkritische materie was dat theorieën over gassen, vloeistoffen en vaste stoffen niet toepasbaar waren. Het bleef onduidelijk welke fysieke parameters de meest opvallende eigenschappen van de superkritische toestand zouden blootleggen.

Gewapend met eerder begrip van vloeistoffen bij lagere temperatuur en druk, gebruikten onderzoekers twee parameters om de superkritische materie te beschrijven.

1. De eerste parameter is de veelgebruikte eigenschap:dit is de warmtecapaciteit die aangeeft hoe efficiënt het systeem warmte opneemt en die essentiële informatie bevat over de vrijheidsgraden van het systeem.

2. De tweede parameter komt minder vaak voor:dit is de lengte waarover golven zich in het systeem kunnen voortplanten. Deze lengte bepaalt de faseruimte die beschikbaar is voor fononen. Wanneer deze lengte de kleinst mogelijke waarde bereikt en gelijk wordt aan de interatomaire scheiding, gebeurt er iets heel interessants.

De wetenschappers ontdekten dat in termen van deze twee parameters de materie onder extreme omstandigheden van hoge druk en temperatuur opmerkelijk universeel wordt.

Deze universaliteit is tweeledig. Ten eerste heeft de grafiek van warmtecapaciteit versus golfvoortplantingslengte een opvallend vast inversiepunt dat overeenkomt met de overgang tussen twee fysiek verschillende superkritische toestanden:vloeistofachtige en gasachtige toestanden. Bij het passeren van dit inversiepunt verandert de superkritische materie zijn belangrijkste fysieke eigenschappen. Het inversiepunt dient vooral als een ondubbelzinnige manier om de twee toestanden te scheiden - iets dat de hoofden van wetenschappers al enige tijd bezighoudt.

Ten tweede is de locatie van dit inversiepunt opmerkelijk dichtbij in alle soorten bestudeerde systemen. Deze tweede universaliteit is opmerkelijk anders dan alle andere bekende overgangspunten. Bijvoorbeeld, twee van deze overgangspunten - het tripelpunt waar alle drie de toestanden van materie (vloeibaar, gas, vast) naast elkaar bestaan ​​en het kritieke punt waar de gas-vloeistof kooklijn eindigt - zijn verschillend in verschillende systemen. Aan de andere kant vertelt hetzelfde inversiepunt in alle systemen onder extreme superkritische omstandigheden ons dat de superkritische materie intrigerend eenvoudig is.

Het blootleggen en bewijzen van deze eenvoud is het belangrijkste resultaat van het artikel "Double universality of the transition in the supercritical state", gepubliceerd in Science Advances . + Verder verkennen

Fasegrenzen op moleculaire schaal:een 'primitieve' overgang tussen vloeistof en gas