Auksas yra vienas iš labiausiai tyrinėjamų ir vertinamų metalų dėl savo cheminių ir fizinių savybių. Jo atsparumas korozijai ir terminis stabilumas yra labai svarbūs įvairiose srityse, nuo juvelyrikos iki pažangiausių technologijų. Šimtmečius šios savybės buvo laikomos nekeičiamomis fizikinėmis savybėmis. Tačiau neseniai atliktas eksperimentas su auksu pakeitė padėtį.
Naujausi pasiekimai ultragreito kaitinimo ir atominių matavimo technologijų srityje leido mokslininkams tirti scenarijus, kurie anksčiau buvo nepasiekiami. Šie eksperimentai atvėrė neaiškumų erdvę aplink tokias fundamentalias sąvokas kaip lydymosi temperatūra.
Štai kaip eksperimentas su auksu pakeitė įsitikinimus apie fizikines ribas
Tarptautinė komanda naudojo ultratrumpą impulsinį lazerį, kad įkaitintų 50 nanometrų storio aukso fragmentus. Įprastomis sąlygomis šis metalas lydosi esant 1064 laipsnių Celsijaus temperatūrai.
Tačiau eksperimente buvo pasiekta beveik 18 700 laipsnių Celsijaus temperatūra, o kieta struktūra iš karto nesugriuvo. Šie atradimai jau buvo paskelbti žurnale „Nature“.
Šis reiškinys vadinamas perkaitinimu. Tai nėra paprastas lydymosi temperatūros viršijimas, bet tai daroma taip greitai, kad atomai nespėja persitvarkyti į skystą būseną. Šiuo atveju auksas išlaikė kietą struktūrą daugiau nei dvi pikosekundes, o tai atominės skalės požiūriu yra nemažas laiko tarpas.
Kaitinimo greitis viršijo 6 × 10¹⁵ kelvinų per sekundę, tai rekordas, kuris gerokai pranoksta bet kokius ankstesnius bandymus. Esant tokiam greičiui, šiluma kaupiasi prieš atomams spėjant sureaguoti, užkertant kelią terminiam plėtimuisi ir kristalinio tinklo sugriuvimui.
Iššūkis entropinės katastrofos teorijai
Nuo 1988 m. medžiagų fizika pripažįsta entropinės katastrofos koncepciją, kuri teigia, kad kietas kūnas negali viršyti ribos, lygi tris kartus jo lydymosi temperatūrai, nes kitaip jis ištirps.
Šis modelis, pasiūlytas Fecht ir Johnson, daro prielaidą, kad tam tikru momentu kieto kūno netvarkingumas prilygsta skysčio netvarkingumui, todėl jo stabilumas tampa neįmanomas.
Auksu atlikto eksperimento rezultatai kelia abejonių šiai idėjai. Remiantis duomenimis, metalas išliko kietas esant temperatūrai, kuri gerokai viršijo teorijoje numatytą.
Svarbiausia yra tai, kad esant itin greitam kaitinimui kietojo kūno entropija neprilygsta skysčio entropijai iki pereinamojo proceso pabaigos. Tokiu būdu išvengiama klasikinėje teorijoje numatyto termodinaminio žlugimo.
Kaip buvo matuojama ekstremali temperatūra?
Eksperimento sėkmė priklausė nuo gebėjimo matuoti neįprastas temperatūras per labai trumpą laiką.
Tyrėjai naudojo neelastinio rentgeno spindulių sklaidos techniką atgalinio sklaidos konfigūracijoje. Šis metodas leidžia tiesiogiai stebėti jonų greičio pasiskirstymą, atspindintį atomų struktūros vibraciją, kai ji gauna energiją.
Kiekvienas lazerio impulsas generavo balistinius elektronus, kurie akimirksniu perdavė šilumą terminiams elektronams, o šie savo ruožtu perdavė ją jonams kristalinėje gardelėje. Analizuojant rentgeno spindulių spektrinį išsiplėtimą, buvo galima tiksliai nustatyti pasiektą temperatūrą nesiremiant netiesioginiais modeliais.
Matavimai patvirtino, kad aukso kietajam kūnui būdingas difrakcijos signalas išliko iki 19 000 Kelvinų ir išnyko tik po dviejų ar trijų pikosekundžių. Tai parodė, kad auksas išliko kietas terminėje srityje, kuri tradicinėje fizikoje laikoma neįmanoma.
Šio eksperimento su auksu reikšmė ir galimos taikymo sritys
Tyrimo autoriai teigia, kad tam tikros medžiagos gali neturėti fiksuotos lydymosi temperatūros esant itin greitam kaitinimui. Tokiu atveju įprasta vertė būtų labiau eksperimento trukmės pasekmė nei savybė.
Ši galimybė kelia klausimų apie kietųjų medžiagų elgesį ekstremaliomis sąlygomis, pvz., planetų viduje, asteroidų susidūrimų ar branduolinių sprogimų metu.
Šių procesų supratimas galėtų suteikti svarbių duomenų astrofizikai, plazmos fizikai ir naujų atsparių medžiagų kūrimui.
Dar reikia nustatyti, ar šis reiškinys yra būdingas tik auksui, ar gali pasikartoti ir su kitais elementais. Jei tai bus patvirtinta su kitomis medžiagomis, dabartinis teorinis kietųjų medžiagų stabilumo modelis turės būti iš esmės peržiūrėtas.
Ką tai reiškia medžiagų mokslui?
Eksperimentas su auksu ne tik prieštarauja daugiau nei tris dešimtmečius galiojusiam teoriniam apribojimui, bet ir pristato eksperimentinį metodą, leidžiantįperžiūrėti medžiagų fizikos pagrindus.
Kai šiluma perduodama greičiau, nei medžiaga gali reaguoti, žinomos taisyklės nebegalioja.
Šiam proveržiui lemiamą įtaką turėjo ultragreiti lazeriai ir didelio tikslumo rentgeno šaltiniai. Tobulėjant šioms technologijoms, bus galima atlikti ilgesnius eksperimentus su didesniu kontroliavimu ir platesniu medžiagų spektru.
Kol kas šis atradimas atveria naujas galimybes tirti kietųjų medžiagų stabilumą ir jų atsparumą karščiui – sritį, kuri per ateinančius dešimtmečius gali pakeisti tiek medžiagų mokslo teoriją, tiek praktiką.
