קסם מולקולרי: כיצד נוזלים על קריטיים מטשטשים את קווי החומר

מחקר חדש חושף את הטבע הכפול של נוזלים סופר-קריטיים, המעבר מהתנהגות דמוית גז לנוזל, ומספק תובנות לגבי דינמיקת נוזלים בתנאים קיצוניים.

מחקר מביא תובנות יוצאות דופן לגבי ההתנהגות האניגמטית של נוזלים סופר-קריטיים, מצב היברידי של חומר התופס מרחב ייחודי בין נוזלים וגזים, ומתעורר בתחומים העוברים מתעשיית התרופות למדע הפלנטרי. התוצאות שהתקבלו הן על גבול האפשרויות הניסויות הנוכחיות וניתן היה להשיג אותן רק במקור נויטרונים בעל שטף גבוה כגון ה-Institut Laue-Langevin (ILL).

נוזלים סופר קריטיים

חומר נוזלי או גזי שנדחף אל מעבר לנקודה הקריטית שלו (כלומר מעבר לטמפרטורה וללחץ שבהם לא ניתן עוד לעשות את ההבחנה בין נוזל לגז) נקרא נוזל על קריטי. נוזלים סופר-קריטיים עדיין מעט ידועים ומתריסים בסיווגים קונבנציונליים, הם בעלי יכולת להתפזר כמו גז תוך המסת חומרים כמו נוזל. הדואליות הזו הפכה אותם לבעלי ערך רב במספר עצום של יישומים תעשייתיים, מעיבוד פרמצבטי ועד פולי קפה נטול קפאין. מצד שני, הם חיוניים להבנת כוכבי לכת ענקיים כגון צדק ו נפטוןהיכן שמצבים דומים של חומר עשויים לשלוט.

מחקר פורץ דרך בנושא נוזלים על קריטיים

במחקר שפורסם ב-16 במאי בכתב העת תקשורת טבע, צוות בינלאומי של חוקרים ממכון סאפיינזה (רומא, איטליה) לאו לנגווין (גרנובל, צרפת), אקול פוליטכניק פדרלי (לוזן, שוויץ), CNRS (צרפת) ו-CNR (איטליה) השיג הוכחה ניסיונית שדיפוזיה מולקולרית בחומר סופר-קריטי. נוזל עובר מהתנהגות דמוית גז להתנהגות דמוית נוזל על פני הקו המכונה Widom (קו תרמודינמי שמרחיב את עקומת האדים הרוויים מעל הנקודה הקריטית). המעבר הוא הדרגתי בטווח לחץ צר.

הצוות חקר את הדיפוזיה של מולקולות בתוך נוזל סופר-קריטי – פרמטר מכריע המשקף את הניידות של מולקולות בתוך הנוזל – מתוך מחשבה על שאלה בסיסית: האם נוכל להצביע על אזור של לחץ-טמפרטורה שבו ההתנהגות של נוזל סופר-קריטי עוברת מגז. -כמו כמו נוזל? בעוד שמודלים תיאורטיים הציעו גבולות מעבר כאלה (ביניהם קו Widom), אימות הניסוי נותר חמקמק, עד כה.

תובנות ניסוי על פיזור מולקולרי

תוצאה זו הושגה באמצעות ניסויים מאתגרים, בלחץ גבוה, כמו-אלסטי פיזור נויטרונים (QENS) על מתאן סופר-קריטי שנערכו ב-Institut Laue Langevin, בגרנובל. ב-ILL משתמשים בניוטרונים כדי לחקור חומרים ותהליכים בכל הדרכים האפשריות במגוון רחב מאוד של תחומים. במחקר זה, קרן נויטרונים נשלחה אל תא המכיל מתאן בתנאים סופר קריטיים.

עוצמת קרן הנייטרונים שהתפזרה על ידי המדגם נמדדה כפונקציה של האנרגיה שהוחלפה בטווח העניין (כלומר, בטווח האנרגיה שבו מתרחשות תופעות דיפוזיה מולקולרית בתוך החומר, מה שנקרא המשטר הכמו-אלסטי). המדידות נערכו בטמפרטורה קבועה T=200 K (מעל T=190 K קריטי) תוך שינוי לחץ המתאן מכמה ברים ועד ללחצים גבוהים מאוד (מגיעים לכמעט 3 Kbar; הלחץ הקריטי הוא P=45 בר) . הניסויים נערכו על מכשיר ILL IN6-SHARP.

המחברים מדגישים את העדויות הניסויות הברורות להפליא: "בעוד שבלחצים הנמוכים מ-50 בר נצפה האות של דינמיקת הדיפוזיה האופיינית למערכות גזים, הצלחנו לראות שככל שהלחץ עולה מעל זה, האות מתפתח בהדרגה עד הוא מקבל את הצורה האופיינית של נוזלים", מסביר הסופר אלסיו דה פרנצ'סקו (חוקר ב-CNR וב-ILL).

התוצאה התאפשרה הודות למקור הנייטרונים הגבוה בשטף ומתקני התמיכה הניסויים הייחודיים הזמינים ב-ILL: "המדידות הללו נמצאות בגבולות האפשרויות הניסויות הנוכחיות, ולא היו מתקבלות על הדעת עד לפני כמה שנים" מוסיף פרדיננדו פורמיסאנו (חוקר ב- CNR ו-ILL), מסיקים: "כפי שקורה לעתים קרובות במחקר, פתיחת דלת פירושה לראות אפיקים חדשים לחקור, ואת המטרה הזו ניתן להשיג רק הודות לגישה למתקני מחקר גדולים."