Схематическая иллюстрация нанокластеров (красного цвета), разделённых в жидкоподобном состоянии в сверхкритической жидкости, и соответствующие сигналы рассеяния нейтронного пучка. Источник: POSTECH.
Когда вещество подвергается воздействию температур и давления, которые выводят его за пределы «критической точки», оно превращается в сверхкритическую жидкость — состояние вещества, которое ведёт себя и как жидкость, и как газ.
На Земле сверхкритические жидкости (СКЖ) естественным образом существуют в кипящей воде, которая поднимается из гидротермальных источников на морском дне. Они широко используются в промышленности и технике, например, в системах охлаждения электростанций, фармацевтических процессах и впрыске топлива под высоким давлением.
Долгое время считалось, что СКЖ существуют только в одной фазе. Однако моделирование показало, что при равновесных условиях с постоянной температурой, давлением и концентрацией могут существовать газоподобные и жидкоподобные подрегионы.
Но поведение СКЖ в неравновесных условиях, которые встречаются в большинстве промышленных применений, до сих пор плохо изучено.
В новом исследовании учёные сжали газ криптона под высоким давлением и наблюдали, как полученная СКЖ рассеивает нейтроны в неравновесных условиях.
Их результаты подтверждают существование жидкоподобных кластеров размером около 1,3 нм (примерно 30 атомов криптона), которые существуют более часа, прежде чем исчезнуть.
Это первое экспериментальное доказательство того, что СКЖ могут содержать подрегионы с жидкоподобными свойствами в неравновесных условиях.
«Наши результаты показывают, что эти кластеры медленно растворяются в течение длительного времени, что даёт представление о неравновесном фазовом поведении СКЖ и способствует пониманию их динамических свойств», — пишут авторы.
Исследование имеет важное значение для промышленного использования СКЖ и изучения явлений текучести в экстремальных условиях.
«Наши результаты содержат важную информацию для улучшения использования СКЖ в промышленности», — говорят авторы.
«Эти явления могут играть роль в методах очистки CO₂ с помощью СКЖ при производстве полупроводников, где временные кластеры могут влиять на эффективность процесса».
Помимо промышленного применения, неравновесная динамика СКЖ наблюдается и в планетарной метеорологии.
Например, плотная атмосфера Венеры состоит из СКЖ, в которых происходят сложные конвективные и турбулентные потоки, где быстрые термодинамические изменения влияют на крупномасштабные модели атмосферной циркуляции.
Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.