Materie unter extremen Bedingungen sehr hoher Temperatur und Druck erweist sich als bemerkenswert einfach und universell

Wissenschaftler der Queen Mary University of London haben zwei Entdeckungen über das Verhalten von „überkritischer Materie“ gemacht – Materie an dem kritischen Punkt, an dem die Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Gasen scheinbar verschwinden.

Während das Verhalten von Materie bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken gut verstanden wurde, war das Bild von Materie bei hohen Temperaturen und Drücken verschwommen. Oberhalb des kritischen Punktes verschwinden scheinbar die Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Gasen, und es wurde angenommen, dass die überkritische Materie heiß, dicht und homogen wird.

Die Forscher glaubten, dass es im überkritischen Zustand noch neue Physik zu diesem Thema zu entdecken gäbe.

Durch die Anwendung von zwei Parametern – der Wärmekapazität und der Länge, über die sich Wellen im System ausbreiten können – machten sie zwei wichtige Entdeckungen. Erstens fanden sie heraus, dass es zwischen den beiden einen festen Umkehrpunkt gibt, an dem Materie ihre physikalischen Eigenschaften ändert – von flüssigkeitsartig zu gasartig. Sie fanden auch heraus, dass dieser Inversionspunkt in allen untersuchten Systemen bemerkenswert nahe beieinander liegt, was uns sagt, dass die überkritische Materie faszinierend einfach und für ein neues Verständnis zugänglich ist.

Neben dem grundlegenden Verständnis der Materiezustände und des Phasenübergangsdiagramms hat das Verständnis überkritischer Materie viele praktische Anwendungen; Wasserstoff und Helium sind in Gasriesenplaneten wie Jupiter und Saturn überkritisch und bestimmen daher deren physikalische Eigenschaften. In umweltfreundlichen Anwendungen haben sich überkritische Fluide auch bei der Zerstörung gefährlicher Abfälle als sehr effizient erwiesen, aber Ingenieure wünschen sich zunehmend eine Anleitung durch die Theorie, um die Effizienz von überkritischen Prozessen zu verbessern.

Kostya Trachenko, Professor für Physik an der Queen Mary University of London, sagte: „Die behauptete Universalität der überkritischen Materie eröffnet einen Weg zu einem neuen physikalisch transparenten Bild der Materie unter extremen Bedingungen. Dies ist eine aufregende Perspektive aus fundamentaler Sicht Physik sowie Verständnis und Vorhersage überkritischer Eigenschaften in grünen Umweltanwendungen, Astronomie und anderen Bereichen.

„Diese Reise geht weiter und wird in Zukunft wahrscheinlich spannende Entwicklungen mit sich bringen. Beispielsweise stellt sich die Frage, ob der feste Inversionspunkt mit herkömmlichen Phasenübergängen höherer Ordnung zusammenhängt? Kann er unter Verwendung der vorhandenen Ideen beschrieben werden, die daran beteiligt sind? die Phasenübergangstheorie, oder wird etwas Neues und ganz anderes benötigt? Wenn wir die Grenzen des Bekannten erweitern, können wir diese neuen spannenden Fragen identifizieren und nach Antworten suchen.“

Methodik

Das Hauptproblem beim Verständnis überkritischer Materie war, dass Theorien über Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe nicht anwendbar waren. Es blieb unklar, welche physikalischen Parameter die hervorstechendsten Eigenschaften des überkritischen Zustands aufdecken würden.

Bewaffnet mit früherem Verständnis von Flüssigkeiten bei niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck verwendeten die Forscher zwei Parameter, um die überkritische Materie zu beschreiben.

1. Der erste Parameter ist die allgemein verwendete Eigenschaft: Dies ist die Wärmekapazität, die angibt, wie effizient das System Wärme aufnimmt, und die wesentliche Informationen über die Freiheitsgrade des Systems enthält.

2. Der zweite Parameter ist weniger verbreitet: Dies ist die Länge, über die sich Wellen im System ausbreiten können. Diese Länge bestimmt den für Phononen verfügbaren Phasenraum. Wenn diese Länge ihren kleinstmöglichen Wert erreicht und gleich dem Atomabstand wird, passiert etwas wirklich Interessantes.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Materie in Bezug auf diese beiden Parameter unter extremen Bedingungen von hohem Druck und hoher Temperatur bemerkenswert universell wird.

Diese Universalität ist zweifach. Erstens hat die Auftragung der Wärmekapazität gegen die Wellenausbreitungslänge einen markanten festen Inversionspunkt, der dem Übergang zwischen zwei physikalisch unterschiedlichen überkritischen Zuständen entspricht: flüssigkeitsähnlichen und gasähnlichen Zuständen. Beim Überschreiten dieses Inversionspunktes ändert die überkritische Materie ihre wesentlichen physikalischen Eigenschaften. Der Inversionspunkt dient vor allem dazu, die beiden Zustände eindeutig zu trennen – etwas, das Wissenschaftler seit einiger Zeit beschäftigt.

Zweitens liegt die Lage dieses Inversionspunktes bei allen untersuchten Systemtypen bemerkenswert nahe beieinander. Diese zweite Universalität unterscheidet sich deutlich von allen anderen bekannten Übergangspunkten. Beispielsweise sind zwei dieser Übergangspunkte – der Tripelpunkt, an dem alle drei Aggregatzustände (flüssig, gasförmig, fest) koexistieren, und der kritische Punkt, an dem die Gas-Flüssigkeit-Siedelinie endet – in verschiedenen Systemen unterschiedlich. Andererseits sagt uns der gleiche Inversionspunkt in allen Systemen bei extrem überkritischen Bedingungen, dass die überkritische Materie faszinierend einfach ist.

Diese Einfachheit aufzudecken und zu beweisen, ist das Hauptergebnis des Artikels „Double universality of the transit in the supercritical state“, der in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte.