En condiciones extremas de temperatura y presión muy altas, el material es muy simple y universal

Científicos de la Universidad Queen Mary de Londres han hecho dos descubrimientos sobre el comportamiento de la «materia supercrítica», una sustancia en el punto crítico donde las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer.

Aunque se entendía bien el comportamiento del material a temperaturas y presiones bastante bajas, la imagen del material a temperaturas y presiones altas era confusa. Por encima del punto crítico, las distinciones entre líquidos y gases parecen desaparecer, y la materia supercrítica se consideró caliente, densa y homogénea.

Los investigadores creían que aún había nueva física por descubrir sobre esta cuestión en el estado supercrítico.

Aplicando dos parámetros, el capacidad calorífica y la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema, hicieron dos descubrimientos clave. Primero se enteraron de que hay un fijo inversión el punto entre los dos donde la materia cambia sus propiedades físicas de fluido a bestia. También encontraron que este punto de inversión está notablemente cerca en todos los sistemas estudiados, lo que nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de una nueva comprensión.

Además de una comprensión fundamental de los estados de la materia y el diagrama de transición de fase, la comprensión de la materia supercrítica tiene muchas aplicaciones prácticas; El hidrógeno y el helio son supercríticos en los planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno y, por lo tanto, gobiernan sus propiedades físicas. En aplicaciones ambientales verdes, fluidos supercríticos También han demostrado ser muy efectivos en la destrucción de desechos peligrosos, pero los ingenieros quieren guiarse cada vez más por la teoría para mejorar la eficiencia de los procesos supercríticos.

Kostya Trachenko, profesor de física en la Universidad Queen Mary de Londres, dijo: «La universalidad establecida de la materia supercrítica allana el camino para una nueva imagen físicamente transparente de la materia en condiciones extremas. Esta es una perspectiva emocionante desde una perspectiva fundamentalista. física, y para comprender y predecir propiedades supercríticas en aplicaciones ambientales ecológicas, astronomía y otros campos.

“Este viaje continúa y probablemente verá desarrollos emocionantes en el futuro. Por ejemplo, plantea la cuestión de si un punto de inversión fijo está asociado con transiciones de fase ordinarias de orden superior. ¿Se puede describir usando las ideas existentes involucradas en la teoría de transición de fase, o se necesita algo nuevo y completamente diferente? A medida que ampliamos los límites de lo que se conoce, podemos descubrir estas nuevas y emocionantes preguntas y comenzar a buscar respuestas».

La metodología

Un problema importante para comprender la materia supercrítica era que las teorías de gases, líquidos y sólidos no eran aplicables. No estaba claro qué parámetros físicos revelarían las propiedades más destacadas del estado supercrítico.

Armados con una comprensión anterior de los fluidos a temperaturas y presiones más bajas, los investigadores utilizaron dos parámetros para describir la materia supercrítica.

1. El primer parámetro es una propiedad de uso común; esta es la capacidad calorífica, que indica la eficiencia con la que el sistema absorbe calor y contiene información esencial sobre los grados de libertad del sistema.

2. El segundo parámetro es menos común: es la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema. Esta longitud gobierna el espacio de fase disponible para los fonones. Cuando esta longitud alcanza su valor más pequeño posible e iguala la separación interatómica, sucede algo realmente interesante.

Los científicos descubrieron que en términos de estos dos parámetros, la pregunta es condiciones extremas la alta presión y la temperatura se vuelve notablemente universal.

Esta universalidad es doble. En primer lugar, la gráfica de la capacidad calorífica frente a la longitud de onda tiene un punto de inversión claramente fijo que corresponde a la transición entre dos estados supercríticos físicamente distintos, el estado líquido y el estado bestial. Al pasar este punto de inversión, el material supercrítico cambia su clave propiedades físicas. El punto de inversión es importante porque sirve como una forma inequívoca de separar los dos estados, algo que ha ocupado la mente de los científicos durante algún tiempo.

En segundo lugar, la ubicación de este punto de inversión es notablemente cercana en todos los tipos de sistemas estudiados. Esta segunda universalidad es significativamente diferente de todos los puntos de transición conocidos. Por ejemplo, dos de estos puntos de transición son el punto triple, donde coexisten los tres estados de la materia (líquido, gas, sólido), y punto crítico donde termina la línea de ebullición gas-líquido es diferente en diferentes sistemas. Por otro lado, bajo condiciones supercríticas extremas, el mismo punto de inversión en todos los sistemas nos dice que el supercrítico trabajar intrigantemente simple.

El descubrimiento y prueba de esta sencillez es el principal resultado del trabajo «Doble universalidad de la transición en la región». condición crítica«, fue publicado El progreso de la ciencia.