Что непосвященный человек знает о свойствах жидкости? Только то, что она течет, льется. Ученые же считают, что такое состояние вещества таит много особенностей, еще не до конца изученных. Научная группа “Неупорядоченные среды при высоком давлении” Института физики высоких давлений (ИФВД) им. Л.В.Верещагина Российской академии наук под руководством члена-корреспондента РАН Вадима БРАЖКИНА совершила заметный прорыв в понимании феномена жидкости. Побеседовав с ним, наш корреспондент узнал некоторые интересные подробности.
— Жидкость наряду с твердыми телами и газом — одно из классических агрегатных состояний вещества, — рассказывает Вадим Вениаминович. — Но она сложна для расчетов. Физики испытывают трудности, описывая ее на микроскопическом уровне. Одна из причин — близкие значения кинетической и потенциальной энергий атомов или молекул жидкости. В кристалле преобладает потенциальная энергия взаимодействия между атомами, в газе — кинетическая. “Парадокс” жидкости заключается еще и в том, что по всем правилам в обычных условиях она как бы не должна существовать: вещества с сильными взаимодействиями между частицами должны быть твердыми, со слабыми — газами. Следует заметить, что среди более сотни простых веществ в “текучем состоянии” при нормальных условиях находятся всего два — ртуть и бром. Обратная сторона этого феномена состоит в том, что нас окружает повсюду, в том числе в быту, огромное количество разных жидкостей. Из них исключительную роль играет вода.
Одна из интересных особенностей жидкостей, отличающая их от твердых тел и роднящая с газом, — кажущаяся бесструктурность. Объясню, в чем суть проблемы. Кристаллы чрезвычайно разнообразны по структуре и свойствам. Во многих из них при изменении физических условий происходят фазовые переходы. Всем известно, что графит под давлением превращается в алмаз. И это скорее правило, чем исключение: почти все кристаллы при сжатии неоднократно коренным образом меняют структуру и свойства. Например, обычный водяной лед при высоких давлениях может превращаться в 14 (!) различных модификаций. По-своему реагируют на сжатие полупроводниковые кристаллы. Скажем, кремний, германий, селен при давлении свыше 100 килобар (100 тысяч атмосфер) меняют структуру своей решетки и становятся металлами.
И вот 25 лет назад я задался вопросом: а что получится при сжатии полупроводниковых жидкостей? Например, расплава селена. Схему первого эксперимента придумал в автобусе, по дороге из Москвы в Институт физики высоких давлений, где только начинал свою работу после окончания аспирантуры МФТИ. Сам эксперимент был очень простым, на его подготовку и проведение ушло всего несколько часов.
Селен в контейнере из высокочистого графита (который также служил нагревателем и электродом) был помещен в специальную камеру. В ней я создал давление 20 килобар, затем расплавил селен и стал дальше поднимать давление при высокой температуре. При 35 килобар электросопротивление расплава резко упало — в несколько тысяч раз. Так был зафиксирован получивший затем широкую известность переход “полупроводник — металл” в жидкости при сжатии! После эксперимент многократно повторили в институте. Мы провели и более тонкие исследования, которые позволили зафиксировать объемные и тепловые аномалии при металлизации жидкого селена. По результатам исследований опубликовали несколько статей, получивших суммарный индекс цитирования свыше 500.
Это мини-открытие не потребовало каких-то особых экспериментальных талантов и усилий только потому, что в ИФВД уже была уникальная аппаратура высоких давлений и огромный методический опыт использования различных ноу-хау. К слову, эксперименты, проведенные моей группой 25 лет назад, до сих пор могут повторить лишь считаные лаборатории мира.
Затем были обнаружены фазовые превращения в других простых полупроводниковых и металлических жидкостях. Оказалось, что на эту тему многое уже было предсказано раньше. Но наши исследования превращений в жидкостях и стеклах фактически привели к созданию нового направления в физике конденсированного состояния, которое в настоящее время активно развивается в мире. Не случайно первое международное совещание, посвященное фазовым превращениям в неупорядоченных средах и собравшее почти всех специалистов из 19 стран, работающих в данном направлении, провели по нашей инициативе и именно в России.
— Что еще интересного удалось узнать о свойствах жидкостей?
— Уяснив, что многие из них могут резко меняться при сжатии, мы задались вопросом: а что в это время происходит с их структурой? В отличие от кристаллов никакого правильного порядка в расположении атомов жидкости нет, однако наблюдается некий “мотив” в местонахождении соседних частиц — так называемая структура ближнего порядка. Для исследования расплавов под давлением нужны источники сверхмощного рентгеновского излучения — ускорители-синхротроны. Самый мощный из них находится в Японии. В течение 10 лет наша группа совместно с коллегами из этой страны изучала структуру жидкостей при сверхвысоких давлениях. В результате мы установили, что фазовые превращения в жидкостях сопровождаются определенными изменениями их структуры. Также открыли, что в ряде жидкостей, например в расплаве сульфида мышьяка, при сжатии может происходить несколько видов превращений с изменением ближнего порядка: тип связи в этом расплаве последовательно изменяется от молекулярного к ковалентному, затем к металлическому.
Синхротронный источник рентгеновского излучения позволяет не только изучить структуру, но и “увидеть” сам расплав внутри камеры высокого давления. Это можно сравнить с “высвечиванием” наших костных тканей в медицинских рентгеновских аппаратах. Для того чтобы измерить вязкость расплавов при очень высоких давлениях, регистрируют падение в них маленького шарика большой плотности (например, из платины или рения). Такие эксперименты очень трудоемки и требуют самой современной аппаратуры. Тем не менее нам удалось исследовать ряд жидких полупроводников и диэлектриков при сверхвысоких давлениях. Выяснилось, что при фазовых превращениях их вязкость может меняться в сотни и тысячи раз. Эти измерения важны не только для физики, но и для геологии и планетологии, так как многие соединения в недрах Земли и других небесных тел находятся в жидком состоянии.
— Вы уже узнали, в чем суть таких необычных превращений?
— Вполне естественно, что большое число примеров достаточно резкого изменения структуры и свойств жидкостей при сжатии заставило нас задуматься об их природе. Со школы нам известно, что кривая перехода “жидкость — газ” (кипение) заканчивается в критической точке, причем при давлениях и температурах выше этой точки они неразличимы между собой. Такое состояние вещества принято называть сверхкритическим флюидом. В последние годы исследования таких флюидов вышли на новый уровень из-за их широкого промышленного использования. Вещества в этих особых состояниях приобретают свойства чрезвычайно сильных растворителей. Они применяются для переработки отходов, экстракции (в химической и фармакологической индустриях), в качестве реакционных сред. Кстати, многие из изученных нами фазовых превращений происходят при давлениях и температурах намного выше критических, где, казалось бы, все жидкости должны терять “индивидуальность”, однако этого не происходит. В последние пять лет наша группа активно изучала жидкое состояние при температурах, в сотни раз превышающих критические, и давлениях, в десятки тысяч раз больше критических. Так как экспериментальные возможности детального изучения жидкостей при таких экстремальных параметрах сильно ограничены, одним из основных методов исследований стало компьютерное моделирование свойств жидкостей с использованием самых мощных в России суперкомпьютеров.
— Узнали что-то интересное про флюиды?
— Как это ни удивительно, но выяснилось, что качественные различия между жидкостью и газом сохраняются и в сверхкритической области. Наиболее важное — характер траекторий частиц. Их движение в жидкости содержит почти гармонические колебания с малой амплитудой и относительно редкие прыжки частиц на большие расстояния. В газе частицы между столкновениями перемещаются почти свободно. В ходе исследований мы установили, что так называемая линия смены типа траекторий частиц существует и в закритической области, при произвольно больших давлениях и температурах. Мы назвали ее “линия Френкеля” в память о заслугах выдающегося российского физика. Получается, различие между жидкостью и газом существует при любых внешних параметрах. “Одинаковость” этих состояний при давлениях и температурах выше критических, известная нам из учебников, оказалась мифом. Просто переход из одного состояния в другое в этой области происходит без термодинамических аномалий. Смена типа динамики частиц, когда их нагревают при сверхкритических давлениях, приводит к ряду важных следствий. Во-первых, флюид теряет сдвиговую жесткость на всех возможных частотах. Разные агрегатные состояния можно отличить друг от друга, используя строгий критерий: твердое тело имеет сопротивление сдвиговой деформации на всех частотах, жидкость — только на высоких, а газ — ни на каких! Во-вторых, на линии Френкеля качественно меняются температурные зависимости всех основных свойств флюида — вязкости, скорости звука, теплопроводности. В-третьих, теплоемкость в расчете на частицу является универсальной величиной на линии Френкеля и равна удвоенной константе Больцмана.
Исследования при сверхвысоких давлениях раскрывают нам причины сложности теоретического описания жидкостей. Твердые тела и газы в каком-то смысле можно назвать “чистыми” агрегатными состояниями. В кристаллах, стеклах динамика движения частиц колебательная, в газах — столкновительная. А жидкость представляет собой “смешанное” агрегатное состояние — переходное от твердого к газообразному. В ней присутствуют оба типа движения — колебательное и баллистическое, и их взаимная доля плавно меняется при изменении внешних параметров. В этом феномене — одна из главных причин, почему микроскопическая динамика жидкого состояния трудно поддается теоретическому описанию.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото Николая Степаненкова
Нет комментариев