Het eerste experimentele bewijs om een ​​nieuw gepubliceerde universele wet te valideren die inzicht geeft in de complexe energietoestanden voor vloeistoffen, is gevonden met behulp van een geavanceerde nucleaire techniek bij ANSTO.

Het werk is zojuist gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry Letters als de keuze van de redacteur en vermeld op de voorkant van het tijdschrift.

De vergelijking voor de trillingsdichtheid van toestanden geformuleerd door Alessio Zaccone en Matteo Bagglioli werd gepubliceerd in een artikel in PNAS in 2021, een antwoord geven op een vraag die al minstens een eeuw ongrijpbaar is.

De elegante wiskundige theorie heeft het probleem opgelost van het verkrijgen van de verdeling van deze complexe energietoestanden voor vloeistoffen.

"Een van de belangrijkste grootheden in de fysica van materie is de verdeling van de frequenties of trillingsenergieën van de golven die zich in het materiaal voortplanten. Het is vooral belangrijk omdat het het startpunt is voor het berekenen en begrijpen van enkele fundamentele eigenschappen van materie, zoals soortelijke warmte en thermische geleidbaarheid, en de interactie tussen licht en materie, "zei Prof Zaccone op de website van de Universiteit van Milaan.

"Het grote probleem met vloeistoffen is dat er, naast akoestische golven, andere soorten vibratie-excitaties zijn die verband houden met lage energieën van de ongeordende beweging van atomen en moleculen - excitaties die bijna afwezig zijn in vaste stoffen. Deze excitaties zijn meestal van korte duur en zijn verbonden met de dynamische chaos van moleculaire bewegingen, maar zijn desalniettemin zeer talrijk en belangrijk, vooral bij lage energieën. Wiskundig gezien zijn deze excitaties, die in de gespecialiseerde literatuur bekend staan ​​als 'instantaneous normal modes' of INM's erg moeilijk om mee om te gaan omdat ze overeenkomen naar energietoestanden beschreven door denkbeeldige getallen."

De time-of-flight neutronenspectrometer Pelican bij ANSTO's Center for Neutron Scattering is gebruikt om de trillingsdichtheden van toestanden te meten voor verschillende vloeibare systemen, waaronder water, vloeibaar metaal en polymeervloeistoffen. Het Pelican-instrument heeft de extreme gevoeligheid om rotatie- en translatietrillingen te meten over korte tijdsintervallen en bij lage energieën.

De experimenten bij ANSTO bevestigden de lineaire relatie van de trillingsdichtheid van toestanden met frequentie bij lage energieën, zoals voorspeld door Alessio Zaccone en Matteo Bagglioli, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Met de COVID-lockdown, geen toegang tot instrumenten, was het kleine team dat de University of Wollongong Ph.D. kandidaat Caleb Stamper, Dr. Cortie en Dr. Yu besloten zich te concentreren op het opnieuw analyseren van experimentele gegevens uit het verleden vanuit een nieuw perspectief, om de nieuwe wet te valideren, geïnspireerd door het theoretische werk van Alessio Zaccone en Matteo Bagglioli.

"De oefening levert niet alleen zo'n geweldig resultaat op, maar biedt ook een goede introductie van neutronenspectroscopie aan Caleb, die uitstekend werk heeft geleverd", zei Dr. Yu als Caleb's ANSTO-supervisor en de corresponderende auteur van het artikel.

Het werk zou hen ook helpen bij het beantwoorden van vragen met betrekking tot faseovergangen in superionische vloeistoffen in hun werk aan thermo-elektrische materialen.

"Er ontstaan ​​grote uitdagingen omdat vloeistoffen niet mechanisch stabiel zijn, omdat de atomen in een vloeistof diffunderen en de vloeistof als geheel zal stromen", legt Dr. Cortie uit.

De universele wet is gebaseerd op een theoretisch raamwerk, bekend als ogenblikkelijke normale modi, zoals beschreven door Prof Zaccone hierboven, die een reeks ogenblikkelijke krachten, frequenties en snelheden voorschrijven als grootheden.

Een complicatie bij het afleiden van een theorie om de trillingsdichtheid van toestanden in vloeistoffen te voorspellen, ontstond vanwege de aanwezigheid van een klein deel van 'imaginaire modi'.

"Imaginaire modi zijn belangrijk omdat ze het feit vertegenwoordigen dat een vloeistof niet stabiel is. De atomen in een vloeistof interageren de hele tijd sterk met elkaar, maar niet op dezelfde manier als een vaste stof. De relatie is niet 'harmonisch', wat betekent dat de atomen zullen na een interactie niet in dezelfde configuratie worden hersteld. De atomen zullen snel blijven diffunderen en langs elkaar schuiven, "zei Stamper.

"De denkbeeldige modi weerspiegelen de negatieve kromming op het potentiële energieoppervlak van een vloeistof. Het is een zeer complex energielandschap, maar als je denkt aan de analogie van een surfer op een oceaangolf. De atomen in de vloeistof volgen de curven van de golf zelf (zie de voorkant van het tijdschrift). Maar de atomen kunnen zich in een positie op de top, onder de surfplank of in de trog bevinden, altijd in beweging, "zei Dr. Yu.

"De wet zal voor vloeistoffen dezelfde centrale rol spelen als de Debye-wet voor vaste stoffen. Het zal dienen als de basis voor het hele onderzoeksveld met vloeistoffen en daarbuiten." + Verder verkennen

Moleculaire 'dansen' bepalen hoe vloeistoffen warmte opnemen