Экстремальный эксперимент показал, что золото может оставаться твердым при температуре 19000 Кельвинов, переписывая физические ограничения на перегрев материалов.
На протяжении веков золото очаровывало человечество своим блеском, редкостью и устойчивостью к коррозии. Но мало кто подозревал, что в определенных экстремальных условиях этот драгоценный металл способен нарушить один из самых жестких ограничений в физике материалов: температуру его плавления. При температуре выше 18 700 градусов по Цельсию можно было ожидать, что любое твердое вещество превратится в жидкость. И все же золото сделало нечто неожиданное.
Международной группе исследователей удалось нагреть золото до температуры, более чем в 14 раз превышающей его температуру плавления, без потери им своей твердой структуры. Открытие, опубликованное в журнале Nature, ставит под сомнение ключевые концепции о состояниях материи и границе, известной как «энтропийная катастрофа», теоретической границе, за которой твердое тело не может оставаться таковым. Как пишут авторы исследования, «этот результат не только превышает ранее предсказанные пределы энтропийной катастрофы, но и предполагает гораздо более высокий порог перегрева твердых тел».
Что происходит, когда тепло прибывает слишком быстро
Наблюдаемое явление называется перегревом (superheating). Речь идет не просто о нагревании материала выше точки плавления, а о том, чтобы сделать это так быстро, чтобы атомы не успели перестроиться в жидкое состояние. Это своего рода экстремальная суспензия, в которой твердое вещество удерживает тепло, хотя и на доли секунды.
В этом случае ученые использовали ультракороткоимпульсный лазер для нагрева фрагментов золота толщиной всего 50 нанометров. В нормальных условиях золото плавится при температуре около 1064 градусов по Цельсию. Но в ходе эксперимента была достигнута температура 19000 Кельвинов (около 18700 градусов по Цельсию), и даже в этом случае золото оставалось твердым более 2 пикосекунд — вечность на атомном уровне.
Действительно новой вещью была скорость нагрева: более 6 × 1015 кельвинов в секунду, что намного превышает значения, достигнутые в предыдущих экспериментах. В этом очень коротком временном масштабе правила меняются. Тепло накапливается, но атомы не успевают вовремя вступить в реакцию. Нет ни теплового расширения, ни времени для разрушения конструкции.
Энтропийная катастрофа, поставленная под сомнение
С 1988 года в физике существовал теоретический предел, известный как «энтропийная катастрофа». Согласно этой идее, предложенной Фехтом и Джонсоном, существует точка, примерно в три раза превышающая температуру плавления, при которой беспорядок (или энтропия) твердого тела равен беспорядку жидкости. Оттуда твердое вещество не может оставаться стабильным и должно расплавиться.
Но результаты, полученные сейчас, показывают, что этот предел может быть превышен, если нагрев будет достаточно быстрым. Как объясняют авторы статьи в журнале Nature, «наши перегретые состояния, наблюдаемые при температурах, значительно превышающих предел энтропийной катастрофы, не должны существовать в соответствии с современной моделью».
Что больше всего озадачивает исследователей, так это то, что, согласно классическим законам термодинамики, система, переходящая из твердого состояния в жидкость с потерей энтропии, напрямую нарушает второй принцип. Но если предотвратить расширение кристалла — как это происходит в этом сверхкоротком эксперименте — энтропия твердого тела не достигает энтропии жидкости, и термодинамический коллапс не происходит.
Как была измерена невозможная температура
Одним из ключей к этой работе была точность измерения таких экстремальных и таких кратковременных температур. Для этого была использована техника, называемая неупругим рассеянием рентгеновских лучей, в конфигурации обратного рассеяния. Этот метод позволяет напрямую измерять распределение скоростей ионов в материале, что-то вроде наблюдения за «дрожанием» атомов при получении тепла.
Каждый лазерный импульс генерировал облако баллистических электронов, которые быстро нагревали тепловые электроны, которые, в свою очередь, передавали энергию ионам кристаллической решетки. Анализируя спектральное расширение рассеянных рентгеновских лучей, команда смогла определить точный уровень температуры, достигнутый в золоте, не полагаясь на косвенные модели.
Четкую картину дает эксперимент: сигнал рентгеновской дифракционной картины, соответствующий кристаллическому золоту, сохранялся до 19000 кельвинов и исчезал только через 2 или 3 пикосекунды. Это доказывает, что золото оставалось твердым при температуре, которой, согласно теории, быть не должно.
Что, если бы некоторые твердые вещества не имели температуры плавления?
Авторы исследования осмеливаются выдвинуть провокационную идею: некоторые твердые вещества могут не иметь четко определенной температуры плавления, по крайней мере, в условиях сверхбыстрого нагрева. В этом случае то, что мы называем «температурой плавления», было бы не фундаментальным свойством, а следствием временных масштабов нагрева.
Это открывает новые вопросы о том, как материалы ведут себя в экстремальных условиях, например, в недрах планет, во время столкновений астероидов или в первые моменты ядерного взрыва. Более точное понимание этих процессов может иметь далеко идущие последствия для астрофизики, материаловедения и физики плазмы.
Исследователи также подчеркивают, что необходимо проверить, уникально ли это явление для золота или его можно воспроизвести в других металлах и твердых телах. Если подобное поведение наблюдается и в других элементах, существующая теоретическая основа стабильности твердых тел может потребовать радикального пересмотра.
Что меняется сейчас
Эксперимент не только ставит под сомнение теоретический предел, установленный десятилетиями, но и предлагает новый подход к изучению материи в экстремальных условиях. Классические правила, кажется, нарушаются, когда тепло вводится быстрее, чем материя может отреагировать.
Как заключают авторы, «наши эксперименты ясно демонстрируют, что ранее предложенный предел перегрева может быть намного превышен, если материал нагревается достаточно быстро».
Такого рода исследования также подчеркивают важность технологических достижений в области сверхбыстрых лазеров и источников рентгеновского излучения высокого разрешения. Без них измерения такого рода остались бы недоступными.
Путь впереди широк. Эксперимент необходимо будет повторить в более контролируемых условиях, с другими материалами и в течение более длительного времени, чтобы определить, можно ли использовать это явление в будущих технологиях или это просто лабораторное квантовое любопытство. Но на данный момент золото снова засияло свойствами, которых никто не ожидал.
