Credito:Pixabay/CC0 di dominio pubblico
Gli scienziati della Queen Mary University di Londra hanno fatto due scoperte sul comportamento della "materia supercritica", la materia nel punto critico in cui le differenze tra liquidi e gas sembrano scomparire.
Mentre il comportamento della materia a temperatura e pressione ragionevolmente basse era ben compreso, il quadro della materia a temperatura e pressione elevate era sfocato. Al di sopra del punto critico, le differenze tra liquidi e gas sembrano scomparire e si pensava che la materia supercritica diventasse calda, densa e omogenea.
I ricercatori credevano che ci fosse ancora una nuova fisica da scoprire su questa materia allo stato supercritico.
Applicando due parametri:la capacità termica e la lunghezza su cui le onde possono propagarsi nel sistema, hanno fatto due scoperte chiave. In primo luogo, hanno scoperto che esiste un punto di inversione fisso tra i due in cui la materia cambia le sue proprietà fisiche, da simile a un liquido a simile a un gas. Hanno anche scoperto che questo punto di inversione è notevolmente vicino in tutti i sistemi studiati, dicendoci che la materia supercritica è intrigantemente semplice e suscettibile di una nuova comprensione.
Oltre alla comprensione fondamentale degli stati della materia e del diagramma di transizione di fase, la comprensione della materia supercritica ha molte applicazioni pratiche; l'idrogeno e l'elio sono supercritici nei pianeti giganti gassosi come Giove e Saturno, e quindi ne governano le proprietà fisiche. Nelle applicazioni ambientali ecologiche, i fluidi supercritici si sono anche dimostrati molto efficienti nel distruggere i rifiuti pericolosi, ma gli ingegneri vogliono sempre più indicazioni dalla teoria per migliorare l'efficienza dei processi supercritici.
Kostya Trachenko, professore di fisica alla Queen Mary University di Londra, ha affermato:"L'asserita universalità della materia supercritica apre la strada a una nuova immagine fisicamente trasparente della materia in condizioni estreme. Questa è una prospettiva entusiasmante dal punto di vista dei fondamentali fisica, nonché la comprensione e la previsione delle proprietà supercritiche nelle applicazioni ambientali verdi, nell'astronomia e in altre aree.
"Questo viaggio è in corso ed è probabile che vedano sviluppi entusiasmanti in futuro. Ad esempio, invita a chiedersi se il punto di inversione fisso sia correlato alle transizioni di fase convenzionali di ordine superiore? Può essere descritto utilizzando le idee esistenti coinvolte in la teoria della transizione di fase, o è necessario qualcosa di nuovo e di molto diverso? Man mano che spingiamo i confini di ciò che è noto, possiamo identificare queste nuove interessanti domande e iniziare a cercare risposte."
Metodologia
Il problema principale con la comprensione della materia supercritica era che le teorie di gas, liquidi e solidi non erano applicabili. Non era chiaro quali parametri fisici avrebbero scoperto le proprietà più salienti dello stato supercritico.
Forti della precedente comprensione dei liquidi a temperatura e pressione inferiori, i ricercatori hanno utilizzato due parametri per descrivere la materia supercritica.
1. Il primo parametro è la proprietà comunemente usata:questa è la capacità termica che mostra l'efficienza con cui il sistema assorbe il calore e contiene informazioni essenziali sui gradi di libertà del sistema.
2. Il secondo parametro è meno comune:è la lunghezza per la quale le onde possono propagarsi nel sistema. Questa lunghezza governa lo spazio delle fasi disponibile per i fononi. Quando questa lunghezza raggiunge il suo valore più piccolo possibile e diventa uguale alla separazione interatomica, accade qualcosa di veramente interessante.
Gli scienziati hanno scoperto che in termini di questi due parametri, la materia in condizioni estreme di alta pressione e temperatura diventa straordinariamente universale.
Questa universalità è duplice. Innanzitutto, il grafico della capacità termica rispetto alla lunghezza di propagazione dell'onda ha un punto di inversione fisso sorprendente che corrisponde alla transizione tra due stati supercritici fisicamente diversi:stati simili a liquidi e simili a gas. Attraversando questo punto di inversione, la materia supercritica cambia le sue proprietà fisiche chiave. Il punto di inversione serve soprattutto come un modo inequivocabile per separare i due stati, qualcosa che ha occupato le menti degli scienziati per un po' di tempo.
In secondo luogo, la posizione di questo punto di inversione è notevolmente vicina in tutti i tipi di sistemi studiati. Questa seconda universalità è notevolmente diversa da tutti gli altri punti di transizione conosciuti. Ad esempio, due di questi punti di transizione, il punto triplo in cui coesistono tutti e tre gli stati della materia (liquido, gas, solido) e il punto critico in cui termina la linea di ebollizione gas-liquido, sono diversi nei diversi sistemi. D'altra parte, lo stesso punto di inversione in tutti i sistemi in condizioni supercritiche estreme ci dice che la materia supercritica è intrigantemente semplice.
Scoprire e dimostrare questa semplicità è il risultato principale del documento, "La doppia universalità della transizione nello stato supercritico", pubblicato in Science Advances . + Esplora ulteriormente
