Un team di ricerca coreano ha osservato una coesistenza di fase di non equilibrio di lunga durata nei fluidi supercritici.

Un team di ricercatori guidato dal Professor Gunsu S. Yun del Dipartimento di Fisica di POSTECH e dalla Divisione di Ingegneria Nucleare Avanzata e dal Professor Dong Eon Kim del Dipartimento di Fisica e Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative (MPK) ha osservato il non equilibrio coesistenza di fasi in fluidi supercritici della durata di diverse ore. I ricercatori hanno spiegato il fenomeno attraverso un modello di trasporto di massa nell'interfaccia di coesistenza di fase, dove il trasporto avviene in blocchi di nano cluster invece che in singoli atomi.

È stato accettato come conoscenza scientifica per circa 200 anni che quando la temperatura e la pressione di un fluido salgono al di sopra di un certo livello chiamato punto critico, il confine tra liquido e gas scompare e non si verifica più un cambiamento di stato. Però, negli anni 2010, i risultati della ricerca hanno riportato che i fluidi supercritici possono avere proprietà liquide o gassose a seconda delle condizioni di temperatura e pressione. Da allora, è stato continuamente confermato attraverso vari esperimenti e simulazioni che esistono più stati nella regione del fluido supercritico. Però, la possibilità di uno stato in cui coesiste una pluralità di fasi piuttosto che una singola fase allo stesso punto di temperatura e pressione, cioè, uno stato simile a quello in cui coesistono un liquido e un gas generale dopo la separazione di fase, non è stato discusso.

A questa, il gruppo di ricerca congiunto, nel processo di produzione di un fluido supercritico argon utilizzando una camera ad alta pressione che opera in successivi cicli di compressione-espansione, ha dimostrato uno stato in cui una grande quantità di goccioline di argon (formate dal raffreddamento per espansione adiabatica) coesiste con lo sfondo supercritico simile al gas pur mantenendo le loro proprietà liquide. Lo stato in cui queste due fasi coesistono in isolamento persiste per un tempo sorprendentemente lungo e i ricercatori hanno presentato un nuovo modello di trasporto di massa mediato da nano-cluster, un miglioramento rispetto al modello di evaporazione convenzionale, per spiegare il fenomeno.

I fluidi supercritici vengono utilizzati in vari settori come i sistemi di scambio termico nelle centrali elettriche, processi farmaceutici, pulizia dei semiconduttori, e nella lavorazione degli alimenti grazie alle loro proprietà benefiche quali bassa viscosità ed elevata solubilità. La coesistenza di fasi di non equilibrio nei fluidi supercritici scoperta in questo studio ha un impatto significativo sulle proprietà fisiche e chimiche come la capacità termica, conduttività termica, e viscosità, che può rivelarsi importante per l'elaborazione di fluidi supercritici nelle applicazioni industriali.

Inoltre, questo risultato è di notevole valore accademico in quanto ha posto le basi per ricerche correlate identificando per la prima volta la coesistenza di fasi di non equilibrio di fluidi supercritici, che è una zona inesplorata.

"La ricerca sul disequilibrio dei fluidi supercritici non è solo utile nei processi industriali, ma anche utile per comprendere i vari fluidi supercritici che esistono nel mondo naturale, come nelle atmosfere di pianeti come Venere e Giove, eruzioni vulcaniche, e fluidi nella crosta terrestre, " ha osservato il professor Gunsu S. Yun che ha partecipato come autore corrispondente allo studio. "I nostri risultati contribuiranno alla comprensione delle proprietà di trasporto dei fluidi supercritici". Ha aggiunto, "Stiamo conducendo ricerche per interpretare teoricamente la coesistenza di fasi di non equilibrio nei fluidi supercritici al di là dei risultati sperimentali".

I risultati di questo studio sono stati pubblicati il ​​30 luglio, 2021 in Comunicazioni sulla natura. La ricerca è stata condotta con il supporto della National Research Foundation of Korea e della Max Planck Korea/POSTECH Research Initiative.