Scienziati dell'ESRF, insieme ai team del CEA e del CNRS/Sorbonne Université, hanno trovato la prova di una transizione liquido-liquido nello zolfo e di un nuovo tipo di punto critico che pone fine a questa transizione. Il loro lavoro è pubblicato in Natura .

Ovunque nell'ambiente si verificano costantemente transizioni di fase. Gli esempi più noti di transizioni di fase sono quando l'acqua cambia stato da solido a liquido o da gas a liquido a 0 gradi C e 100 gradi C, rispettivamente, a pressione atmosferica. Nonostante la prevalenza di questi eventi in natura, gli scienziati ancora non comprendono appieno come avvengono queste transizioni a livello microscopico.

Tra i tanti casi di transizioni di fase, quelli che comportano un calore latente e un cambiamento discontinuo di densità sono definiti di primo ordine. Le transizioni del primo ordine sono molto comuni allo stato solido, e includiamo ad esempio quello dalla grafite al diamante, e la transizione da semiconduttore a metallo nel silicio.

Però, per anni nessuno ha pensato che potesse esistere un qualche tipo di transizione del primo ordine che separasse due fasi liquide della stessa sostanza pura e isotropa. Con i nuovi millenni, le cose sono cambiate. UN Natura articolo dell'anno 2000 di Y. Katayama et al., dal sincrotrone giapponese Spring-8, ha dato evidenza di una transizione da liquido a liquido subita nel fosforo.

"È stata una vera svolta, in quanto ha cambiato il modo in cui lo stato liquido era percepito dalla comunità scientifica, " spiega Mohamed Mezouar, scienziato responsabile della linea di luce ID27 presso l'ESRF e autore corrispondente della nuova pubblicazione. "Oggi mostriamo la seconda prova diretta di tale transizione nello zolfo liquido, " aggiunge Mezouar. "Abbiamo scelto lo zolfo perché zolfo e fosforo mostrano importanti somiglianze se sottoposti a pressioni e temperature elevate, " spiega. " Inoltre, Sapevo che era un buon candidato in quanto mostrava già un'interessante varietà di forme solide, molecolare o polimerico, cristallina o amorfa." Lo zolfo è anche uno degli elementi più importanti, essere utilizzato in molte applicazioni come pneumatici in gomma, acido solforico, fertilizzanti, eccetera.

Se gli scienziati non sono stati in grado di trovare prove di altre transizioni liquido-liquido in nessun altro liquido puro e stabile dal 2000, è perché questo tipo di trasformazione è ancora scarso e poco compreso. I calcoli hanno previsto che le transizioni si verificheranno nell'idrogeno liquido, azoto e anidride carbonica ma in condizioni di pressione e temperatura molto elevate, ancora difficile da sondare. Gli esperimenti della presente pubblicazione si sono svolti su ID27, dove il team ESRF, insieme a scienziati del CEA e del CNRS/Sorbonne Université di Parigi, ha applicato pressione allo zolfo liquido e ha osservato in situ come si è evoluto a temperature fino a 1000 gradi Celsius e pressioni fino a 20 kilobar. "Gli esperimenti sono stati impegnativi perché abbiamo dovuto confinare lo zolfo liquido ed eseguire misurazioni quantitative a raggi X in situ di elevata precisione, " spiega Laura Enrico, dottorato di ricerca studente dell'epoca e primo autore.

Prima evidenza di un punto critico liquido-liquido:la singolarità della transizione

Dopo aver trovato le prove per la transizione liquido-liquido, la squadra ha avuto una sorpresa. Frederic Datchi, Il direttore della ricerca del CNRS presso la "Sorbonne Université" ricorda, "Completamente inaspettatamente, c'era, abbiamo trovato quello che conosciamo come un 'punto critico, ' una singolarità in cui le proprietà fisiche cambiano drasticamente." Al punto critico, la variazione di densità tra i due liquidi si annulla, così si può andare continuamente da una fase all'altra. Per quanto vicino ad esso, il sistema 'esita' tra i due stati, producendo grandi fluttuazioni di densità, un fenomeno noto come opalescenza critica. liquidi supercritici, ovvero i liquidi pressurizzati e riscaldati al di sopra del 'normale' punto critico liquido-gas sono molto utilizzati nell'industria chimica perché sono ottimi solventi. D'altra parte, il punto critico che pone fine a una transizione liquido-liquido era fino ad oggi solo un oggetto teorico. La sua esistenza in acqua liquida è stata ipotizzata per spiegare le sue numerose anomalie fisiche, e attivamente ricercato negli esperimenti dagli anni '90, finora senza successo.

Ciò costituisce quindi la prima prova sperimentale dell'esistenza di un punto critico liquido-liquido in qualsiasi sistema finora. Poiché si trova in un dominio pressione-temperatura accessibile sperimentalmente, fornisce un'opportunità unica per lo studio dei fenomeni critici associati agli LLT e ha quindi un valore generale al di là del sistema specifico dello zolfo.

EBS:portare le transizioni di fase al livello successivo

Con la Sorgente Estremamente Brillante, la nuova generazione di sincrotrone dell'ESRF, gli esperimenti sulla transizione liquido-liquido andranno più in profondità:l'aumento del flusso di fotoni e della coerenza consentirà agli scienziati di seguire fenomeni molto rapidi, e quindi osservare le fluttuazioni attorno al punto critico.

"In senso lato, questa ricerca può aprire le porte alla comprensione della complessità dello stato liquido di altri importanti sistemi come l'acqua, " conclude Mezouar.