Ylikuumentunut kulta selviää entropiakatastrofista

SLAC National Accelerator Laboratory tutkijat, jotka mittasivat ensimmäistä kertaa suoraan atomien lämpötilaa erittäin kuumissa materiaaleissa, kumosivat tahattomasti vuosikymmeniä vanhan teorian ja mullistivat ymmärryksemme ylikuumenemisesta.

On tunnetusti vaikeaa mitata todella kuumien aineiden lämpötilaa mutta tällaisten mittausten tekeminen on tähän asti ollut käytännössä mahdotonta.

Tutkijaryhmä raportoi nyt mitanneensa suoraan atomien lämpötilan lämpimässä tiheässä aineessa. Kun muut menetelmät perustuvat monimutkaisiin ja vaikeasti validoitaviin malleihin, tämä uusi menetelmä mittaa suoraan atomien nopeutta ja siten järjestelmän lämpötilaa.

"Lopulta olemme tehneet suoraan ja yksiselitteisesti suoran mittauksen, mikä osoittaa menetelmän, jota voidaan soveltaa koko kentällä", professori Tom White sanoi.

SLAC:n tutkimusryhmä käytti laseria kultanäytteen ylikuumentamiseen ja Linac Coherent Light Sourcen röntgensäteiden pulssilla mitattiin atomien nopeus ja siten niiden lämpötila.

Tiimi oli innoissaan voidessaan onnistuneesti esitellä tämän tekniikan – mutta tutkiessaan dataa tarkemmin he löysivät jotain vieläkin jännittävämpää.

”Yllätykseksemme näissä ylikuumentuneissa kiinteissä aineissa havaittiin paljon korkeampi lämpötila kuin alun perin odotimme, mikä kumoaa 1980-luvulta peräisin olevan pitkäaikaisen teorian”, White sanoi. ”Tämä ei ollut alkuperäinen tavoitteemme, mutta siitä tieteessä on kyse – uusien asioiden löytämisestä, joiden olemassaolosta ei tiedetty.”

Jokaisella materiaalilla on omat sulamis- ja kiehumispisteensä, jotka osoittavat siirtymisen kiinteästä nesteeksi ja nesteestä kaasuksi. Poikkeuksia on kuitenkin olemassa. Esimerkiksi kun vettä lämmitetään nopeasti erittäin sileissä astioissa – kuten lasillisessa vettä mikroaaltouunissa – se voi "ylikuumentua" ja saavuttaa yli 100 celsiusasteen lämpötilan kiehumatta. Tämä tapahtuu, koska materiaalissa ei ole karkeita pintoja tai epäpuhtauksia, jotka voisivat laukaista kuplien muodostumisen.

Mutta tähän luonnon temppuun liittyy lisääntynyt riski: mitä kauemmas systeemi poikkeaa normaaleista sulamis- ja kiehumispisteistään, sitä alttiimpi se on sille, mitä tiedemiehet kutsuvat katastrofiksi – äkilliselle sulamisen tai kiehumisen alkamiselle, jonka laukaisee pieni ympäristön muutos.

Vaikka jotkut kokeet ovat osoittaneet, että näitä välivaiheen rajoituksia voidaan ohittaa kuumentamalla materiaaleja nopeasti, "entropia-katastrofia pidettiin edelleen lopullisena rajana", White selitti.

Äskettäisessä tutkimuksessaan tiimi havaitsi, että kulta oli ylikuumennettu hämmästyttävään 19 000 kelviniin – yli 14 kertaa sulamispisteeseensä nähden ja selvästi ehdotetun entropiakatastrofirajan yli – säilyttäen samalla kiinteän kiteisen rakenteensa.

”On tärkeää selventää, ettemme rikkoneet termodynamiikan toista pääsääntöä”, White sanoi naurahtaen. ”Osoitimme, että nämä katastrofit voidaan välttää, jos materiaaleja kuumennetaan erittäin nopeasti – meidän tapauksessamme sekunnin biljoonasosassa.”

Tutkijat uskovat, että nopea kuumentaminen esti kullan laajenemisen, mikä mahdollisti sen kiinteän olomuodon säilyttämisen. Tulokset viittaavat siihen, että ylikuumennetuille materiaaleille ei ehkä ole ylärajaa, jos ne kuumennetaan riittävän nopeasti.

Tutkija Bob Nagler haluaa soveltaa uutta tekniikkaa – jolla voidaan määrittää atomien lämpötilat 1 000–500 000 kelvinin välillä – SLAC:n meneillään olevaan inertiaaliseen fuusioenergiatutkimukseen.

”Kun fuusiopolttoainekohde räjähtää fuusioreaktorissa, kohteet ovat lämpimässä ja tiheässä tilassa”, Nagler selitti. ”Jotta voimme suunnitella käyttökelpoisia kohteita, meidän on tiedettävä, missä lämpötiloissa ne käyvät läpi tärkeitä tilanmuutoksia. Nyt meillä on vihdoin tapa tehdä nämä mittaukset.”

Aiheesta aiemmin:

Uusi atomipohjainen lämpötilamittaus on tarkempi

Lämpötilakuvausta aineen sisältä