Een onderzoek dat nu is gepubliceerd in Nature Communications brengt opmerkelijke inzichten in het raadselachtige gedrag van superkritische vloeistoffen, een hybride toestand van materie die een unieke ruimte inneemt tussen vloeistoffen en gassen, en die zich voordoet in domeinen die reiken van de farmaceutische industrie tot de planetaire wetenschap. De verkregen resultaten liggen aan de grens van de huidige experimentele mogelijkheden en konden alleen worden verkregen in een neutronenbron met hoge flux, zoals het Institut Laue-Langevin (ILL).

Een vloeibare of gasvormige substantie die voorbij zijn kritische punt wordt geduwd (dat wil zeggen voorbij de temperatuur en druk waarbij het onderscheid tussen vloeistof en gas niet langer kan worden gemaakt) wordt een superkritische vloeistof genoemd. Nog steeds weinig bekend en in strijd met conventionele classificaties, bezitten superkritische vloeistoffen het vermogen om als een gas te stromen, terwijl ze materialen als een vloeistof oplossen.

Deze dualiteit heeft ze van onschatbare waarde gemaakt in een groot aantal industriële toepassingen, van farmaceutische verwerking tot het cafeïnevrij maken van koffiebonen. Aan de andere kant zijn ze cruciaal voor het begrijpen van gigantische planeten zoals Jupiter en Neptunus, waar vergelijkbare toestanden van materie kunnen heersen.

Een internationaal team van onderzoekers van de Sapienza Universiteit (Rome, Italië), ILL (Grenoble, Frankrijk), Ecole Polytechnique Federal (Lausanne, Zwitserland), CNRS (Frankrijk) en CNR (Italië) heeft experimenteel bewijs verkregen dat moleculaire diffusie in een superfluïdum overschakelt van gasvormig -achtig gedrag naar vloeistofachtig gedrag over de zogenaamde Widom-lijn (een thermodynamische lijn die de verzadigde dampcurve tot boven het kritische punt verlengt). De overgang verloopt geleidelijk binnen een smal drukbereik.

Het team onderzocht de diffusie van moleculen in een superkritische vloeistof – een cruciale parameter die de mobiliteit van moleculen in de vloeistof weerspiegelt – met een fundamentele vraag in gedachten:kunnen we een gebied van druk-temperatuur aanwijzen waar het gedrag van een superkritische vloeistof van gas gaat? -achtig tot vloeistofachtig? Hoewel theoretische modellen verschillende van dergelijke overgangsgrenzen hebben voorgesteld (waaronder de Widom-lijn), was experimentele validatie tot nu toe ongrijpbaar gebleven.

Dit resultaat werd verkregen door middel van uitdagende, hogedruk, quasi-elastische neutronenverstrooiing (QENS) experimenten met superkritisch methaan, uitgevoerd bij het ILL in Grenoble. Bij het IBL worden neutronen gebruikt om materialen en processen op alle mogelijke manieren in zeer uiteenlopende domeinen te onderzoeken.

In dit onderzoek werd onder superkritische omstandigheden een neutronenbundel naar een cel gestuurd die methaan bevatte. De intensiteit van de door het monster verstrooide neutronenbundel werd gemeten als een functie van de energie die werd uitgewisseld in het betreffende bereik (dat wil zeggen, in het energiebereik waar moleculaire diffusieverschijnselen in de materie optreden, het zogenaamde quasi-elastische regime). /P>

De metingen vonden plaats bij constante temperatuur T=200 K (boven de kritische T=190 K), waarbij de druk van het methaan werd gevarieerd van enkele bar tot zeer hoge druk (tot bijna 3 Kbar; de kritische druk is P=45 bar). . De experimenten werden uitgevoerd op het ILL-instrument IN6-SHARP.

De auteurs onderstrepen het opvallend duidelijke experimentele bewijs:“Terwijl bij drukken lager dan ongeveer 50 bar het signaal van de diffusiedynamiek typisch voor gasvormige systemen wordt waargenomen, hebben we kunnen waarnemen dat naarmate de druk daarboven toeneemt, het signaal geleidelijk evolueert totdat het neemt de typische vorm aan van vloeistoffen”, legt auteur Alessio De Francesco (onderzoeker bij CNR en ILL) uit.

Het resultaat werd mogelijk gemaakt dankzij de high flux neutronenbron en de unieke experimentele ondersteuningsfaciliteiten die beschikbaar zijn op het IBL. "Deze metingen bevinden zich aan de grenzen van de huidige experimentele mogelijkheden en waren tot een paar jaar geleden ondenkbaar", vult Ferdinando Formisano (onderzoeker bij CNR en ILL) aan.

"Zoals vaak gebeurt in onderzoek, betekent het openen van een deur dat je nieuwe wegen ziet om te verkennen, en dit doel kan alleen worden nagestreefd dankzij de toegang tot grote onderzoeksfaciliteiten."