Když je zlato zahříváno opravdu rychle, zdá se, že při teplotách zůstává pevné Příroda zjistil.
Termín, kdy pevná látka zůstává pevná látka na nebo za jeho tání, je přehřátí. Většina materiálů může být přehřátána pouze v krátkém dosahu po tomto bodě, než se rychle roztaví. Vědci si mysleli, že tento rozsah byl stanoven kvůli limitu zvanému entropická katastrofa.
Entropie je míra poruchy v systému. Když zahříváte látku, její entropie se zvyšuje (mimo jiné atributy). Dříve si vědci mysleli, že kdybyste zahřívali krystal na asi třikrát jeho teplotu tání, už by to nebylo schopno zůstat pevné: muselo by se to roztavit, protože jeho atomy by byly příliš narušené.
Entropická katastrofa
V roce 1948 to převrátil americký chemik jménem Walter Kauzmann. On nalezen že když neustále ochladil kapalinu pod bodem tání, ale zároveň jí zabránil v krystalizaci, množství entropie v kapalině by bylo menší než v krystalu stejného materiálu nad specifickou teplotu – což by nemělo být možné. To se stalo nazývané Kauzmann Paradox.
O čtyři desetiletí později to Hans-Jörg Fecht z Německa a William Johnson z USA znovu otočil. Oni hlášeno že když byla pevná látka přehřátána asi na třikrát svůj bod tání, nakonec by měla větší entropii než její kapalná forma nad konkrétní teplotu, což je další nemožnost. Tato teplota se nazývala tECkde EC stála za „entropickou katastrofu“.
Obě tyto výsledky jsou „katastrofické“ kvůli druhému zákonu termodynamiky, který uvádí, že v izolovaném systému se spontánně vyvíjí entropie v průběhu času. Pro dvě fáze při stejné teplotě a tlaku je fáze s vyšší entropií (volně řečeno), která je více narušená. Jak německý fyzik Rudolf Clausius interpretoval tento zákon, entropie izolovaného systému nemůže spontánně snížit – přesto to znamená entropie pevné je vyšší než entroda kapaliny.
„Katastrofa“ je tedy varováním, které extrapoluje na tyto problematické teploty v experimentech Kauzmann a Fecht-Johnson, nemá termodynamickou legitimitu. Je to také znamení něco se stane před těmito teplotami, aby se zabránilo nemožným výsledkům.
Rychle to zahřejte
Například Kauzmann zjistil, že kapalina by buď nejprve krystalizovala, nebo že se změní na sklo dobře, než dosáhne teploty „katastrofy“. Toto vyhýbání se je důvodem, proč se každý obyčejný kus skla, se kterými narazíte – jako ten na vašich oknech, řekněme – tvoří kolem teploty s přechodem skleněného přenosu, která je znatelně vyšší než problémová teplota. Podobně se krystal roztaví dlouho před jeho teplotou „katastrofy“ nebo se jednoduše odpařuje.
Nová studie se zlatem zkoumá, co se stane s těmito očekáváními, když je kov velmi rychle zahříván.
Porozumění limitu toho, kolik tepla může pevná látka nasávat, aniž by se změnila její fáze (tj. Otočení z pevné látky na kapalinu), je důležité pro inženýry pro navrhování materiálů, které pracují v extrémním prostředí, například na planetách s brutálními atmosférami nebo v zařízeních, které je vyrábějí pomocí trestání fyzických podmínek.
Stejně jako u mnoha výzkumů tohoto typu, nová studie použila jednoduchý proces, ale dosud nebyla možné provádět, protože požadované technologie byly teprve přístupné. Vědci z Německa, Itálie, Velké Británie a USA použili silné laserové impulzy k zahřívání zlatých filmů asi 50 nm tlustých. Použili lasery, aby rychle zahřívali zlato, aniž by mu poskytli čas na rozpad nebo zkapalněknutí. Každý puls trval pouze 45 femtosekund a byl jen 400 nanometrů.
Poté tým použil techniku zvanou neelastický rentgenový rozptyl s vysokým rozlišením k určení teploty atomů zlata. Zařízení vytvořilo a vyzařovalo pruhy rentgenového záření, které zasáhlo atomy zlata a rozptýlilo jen několik pikosekund poté, co byly zahřívány. Měřením změn v energiích těchto rentgenových paprsků a pokynů, ve kterých se vynořily z nanofilmů, mohl tým odvodit, jak rychle se atomy pohybovaly, a z této stanovy teploty. (Teplota materiálu je jednoduše průměrná kinetická energie jeho složky.))
Starší výsledky zůstávají
Tým tedy zjistil, že solidní zlato přehřáté na 14krát své bod tání-ligy nad omezením trojnásobného limitu-zůstává pevné po dobu několika bilionů sekundy, což je v mikroskopické říši výrazně dlouhá doba. Rentgenové difrakční vzorce odhalily, že atomy byly stále uspořádány v uspořádaném vzoru typickém pro pevné krystaly.
Podle vědců by rychlé zahřívání mohlo předběhnout účinky, které přicházely s vytápěním pomaleji. Nejedná se o trik, stejně jako signál, že pokud je materiál dostatečně rychle zahříván, nemusí existovat „entropická katastrofa“. Laserové impulsy Ultrashort se ujistily, že atomy zlata nemají čas na „odpočinek“, než se objevil rentgenový nástroj, a odhalil nanofilm, aby byl pevný i při teplotě, kde se očekávalo, že tání bude nevyhnutelné.
Ve skutečnosti, když vědci vypočítali entropii nanofilmů v podmínkách, kde filmy postrádaly čas na rozšíření kvůli vytápění, zjistili, že samotné filmy nemohly nikdy dosáhnout klasické teploty katastrofy.
Zjištění zpochybňují základní předpoklady vědců o tom, jak se hmota chová za extrémních podmínek. Současně nezbavují práci Kauzmanna a Fechta a Johnsona: poslední dva předpokládali, že materiál, se kterým pracovali, by se mohl při zahřátí rozšířit, zatímco nová studie tuto možnost neumožnila.
Důsledky by však mohly překročit Zemi. Například určité látky mohou být schopny přežít v jádrech planet nebo na hvězdách v určité fázi déle, než jaké modely předpovídaly. Takové detaily se mohou objevit, když vědci aplikují techniku v tomto experimentu na více materiálů.
Publikováno – 24. července 2025 11:52
