МАДРИД, 18 (EUROPA PRESS)
Впервые исследователи измерили атомные температуры в экстремальных условиях и обнаружили, что золото сохраняется при температуре 19 000 градусов Кельвина (18 726 градусов Цельсия), что более чем в 14 раз превышает его температуру плавления.
Измерение температуры по-настоящему горячих объектов, как известно, представляет собой сложную задачу. Будь то турбулентная плазма нашего Солнца, экстремальные условия в ядре планет или сокрушительные силы внутри термоядерного реактора, то, что учёные называют «плотной горячей материей», может достигать сотен тысяч градусов Кельвина.
Точное знание температуры этих материалов имеет решающее значение для полного понимания исследователями этих сложных систем, однако до сих пор проведение таких измерений было практически невозможным.
«У нас есть хорошие методы измерения плотности и давления этих систем, но не температуры», — заявил Боб Наглер, учёный из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. «В этих исследованиях температуры всегда оцениваются с большой погрешностью, что фактически укрепляет наши теоретические модели. Эта проблема существует уже несколько десятилетий».
Впервые группа исследователей сообщила в журнале Nature, что им удалось напрямую измерить температуру атомов в горячей плотной материи. В то время как другие методы основаны на сложных и труднопроверяемых моделях, этот новый метод напрямую измеряет скорость атомов и, следовательно, температуру системы. В своём экспериментальном дебюте группа перегрела твёрдое золото далеко за пределы теоретического предела, неожиданно перевернув, по словам авторов, сорокалетнюю теорию.
Почти десять лет эта группа работала над разработкой метода, позволяющего избежать распространённых проблем измерения экстремальных температур, в частности, кратковременности условий, создающих эти температуры в лаборатории, и сложности калибровки, позволяющей оценить влияние этих сложных систем на другие материалы. «Наконец-то мы провели прямое и однозначное измерение, продемонстрировав применимость метода в любой области», — сказал Уайт.
Используя прибор MEC от SLAC, команда использовала лазер для перегрева образца золота. При прохождении тепла через образец нанометровой толщины его атомы начинали вибрировать с частотой, напрямую зависящей от его повышенной температуры. Затем команда направила импульс сверхяркого рентгеновского излучения от источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS) через перегретый образец. При рассеянии на колеблющихся атомах частота рентгеновских лучей слегка смещалась, что позволяло определить скорости атомов и, следовательно, их температуру.
ОПРОВЕРГАЕТ ТЕОРИЮ 1980 ГОДА
«Мы были удивлены, обнаружив в этих перегретых твёрдых телах гораздо более высокую температуру, чем изначально ожидали, что опровергает давнюю теорию 1980-х годов», — сказал Уайт. «Это не было нашей изначальной целью, но в этом и заключается суть науки: открытие нового, чего мы не знали».
Каждый материал имеет определённые температуры плавления и кипения, которые обозначают переход из твёрдого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное соответственно. Однако есть исключения. Например, при быстром нагревании воды в очень гладкой ёмкости, например, в стакане воды в микроволновой печи, она может перегреться, достигнув температуры выше 100 градусов Цельсия без закипания. Это происходит из-за отсутствия шероховатых поверхностей или примесей, способных вызвать образование пузырьков.
Но этот трюк природы сопряжен с большим риском: чем дальше система отходит от своих нормальных точек плавления и кипения, тем более она уязвима к тому, что учёные называют катастрофой: внезапному началу плавления или кипения, вызванному незначительным изменением окружающей среды. Например, перегретая в микроволновке вода при встряхивании может бурно вскипеть, что может привести к серьёзным ожогам.
«Хотя некоторые эксперименты показали, что эти промежуточные пределы можно преодолеть путем быстрого нагрева материалов, «энтропийная катастрофа по-прежнему считалась конечным пределом», — пояснил Уайт.
В своем недавнем исследовании группа обнаружила, что золото было перегрето до поразительной температуры в 19 000 кельвинов (18 726 градусов Цельсия), что более чем в 14 раз превышает его точку плавления и намного превышает предполагаемый предел энтропийной катастрофы, при этом сохраняя свою прочную кристаллическую структуру.
Исследователи полагают, что быстрый нагрев предотвратил расширение золота, позволив ему оставаться твёрдым. Результаты показывают, что для перегретых материалов может не существовать верхнего предела, если их нагревать достаточно быстро.