Термодинаміка, ти де? Фізики нагріли золото до 18726 °C і не розплавили

Американські фізики з Університету Невади в Ріно провели незвичайний експеримент, нагрівши золото лазерами до 18 тис. 726°C. На якісь трильйонні долі секунди метал залишався твердим і не бажав плавитись.

Закони термодинаміки встановлюють чітку верхню межу кількості тепла, яке може поглинути тверде тіло без фазового переходу у рідкий стан. Перевищення цієї межі веде до так званої «ентропійної катастрофи» — критичної точки, у якій невпорядкований стан атомів твердого тіла перевищує  аналогічний стан рідини, що порушує другий закон термодинаміки.

Цей поріг було встановлено приблизно на рівні трьох температур плавлення матеріалу. Все, що вище, вважалося неможливим. У новому дослідженні Том Уайт та його колеги використовували точно налаштований лазер для нагрівання золотої плівки завтовшки 50 нанометрів. Вже через 45 фемтосекунд, що менше, ніж необхідно світлу, аби подолати товщину людського волосся, атоми золота почали шалено вібрувати. 

Використовуючи лінійний прискорювач когерентного світла у Національній прискорювальній лабораторії SLAC у Каліфорнії, науковці опромінювали перегріте золото імпульсами надяскравого рентгенівського випромінювання. Розсіяні рентгенівські фотони демонстрували швидкість коливання атомів. Це дозволяло дослідникам безпосередньо вимірювати температуру іонів. 

У 1988 році фізики Ганс Фехт та Вільям Джонсон представили концепцію «ентропійної катастрофи», стверджуючи, що жодне тверде тіло не може мати більшу ентропію за власний рідинний аналог. Однак ці обмеження справедливі лише за певних умов, коли матеріали нагріваються достатньо повільно для підтримання теплової рівноваги. 

Новий експеримент Тома Уайта та його команди дозволив обійти ці обмеження. Дослідники нагрівали золото швидше, ніж його атоми встигали перебудуватись. 

Успішність експерименту вдалось забезпечити завдяки використанню непружного розсіювання рентгенівських променів — способу, схожого з вимірюванням швидкості атомного радара. Під час зіткнення рентгенівських променів з вібруючими атомами, їхня частота трохи зміщується внаслідок ефекту Доплера. Чим ширше розкид частот розсіяних фотонів, тим гарячіше атоми.

Використовуючи кілька сотень розсіяних рентгенівських фотонів, дослідники отримали достовірні показання температури безпосередньо, без застосування моделювання. Розуміння того, як ведуть себе матеріали в умовах екстремальних температур та тиску, є ключем для проєктування термоядерних реакторів, моделювання надр інших планет та інших нагальних питань науки.

Дослідники, що вивчають «щільну теплу матерію» — екзотичний стан, що спостерігається у надрах планет-гігантів і у перші миті термоядерних реакцій, тривалий час працювали з невизначеністю, пов’язаною з вимірюванням теплових характеристик. Це дослідження пропонує новий прямий метод калібрування таких моделей.

Для досліджень у галузі інерційного термоядерного синтезу необхідно знати, наскільки гарячими стають мішені з термоядерного палива під час схлопування. Новий метод дозволяє проводити подібні вимірювання. Дослідники вважають, ґрунтуючись на попередніх даних, що срібло також може перевершити свою межу ентропії.

Зазвичай, в умовах традиційного нагріву та плавління, тепло виводить атоми зі стану рівноваги і порушує впорядковану кристалічну гратку. Однак в цьому експерименті на це просто не було часу. Кристалічна гратка золота не мала змоги розширитись. Дослідники стверджують, що відсутність розширення запобігла настанню ентропійної катастрофи. Без розширення ентропія твердого тіла ніколи не призводитиме до фазового переходу. 

Тепер завдання полягає в тому, щоб зрозуміти, наскільки поширене це явище. Чи можуть інші метали поводитися так само? Чи можна це використовувати для створення матеріалів з новими властивостями?

Результати дослідження опубліковані у журналі  Nature

Джерело: ZME Science