Międzynarodowy zespół fizyków wykazał, iż w szczególnych warunkach złoto może wytrzymać temperaturę aż 14 razy wyższą niż jego normalny punkt topnienia, nie przechodząc w stan ciekły.
Badanie opublikowane w Nature burzy dotychczasowe przekonania o granicach termodynamiki i otwiera nowe pola do dyskusji nad adekwatnościami materii. Uzyskany dzięki ultrakrótkiemu impulsowi lasera wynik może zmienić nasze spojrzenie na granice znanych praw fizyki materiałów.
Jak wyglądał eksperyment ze złotem?
Naukowcy wykorzystali w laboratorium warstwę złota o grubości 50 nm, czyli kilkaset razy cieńszą od ludzkiego włosa. Na tak przygotowany materiał skierowali impulsy niezwykle mocnego lasera, które trwały jedynie kilka bilionowych części sek. Taka skala czasowa była tutaj istotna, ponieważ złoto zdążyło osiągnąć rekordową temperaturę, ale nie miało fizycznie czasu w to, by atomy się przemieściły i powstała chaotyczna struktura ciekła. W efekcie materiał pozostał w stanie stałym, choć jego temperatura została wyliczona na około 19 000 K, co jest ponad 14‑krotnością jego punktu topnienia (1064°C, czyli 1337 K).
Do tej pory fizycy uważali, iż żaden materiał nie przechodząc w fazę ciekłą, nie może być podgrzany powyżej trzykrotności swojego punktu topnienia. Po przekroczeniu tego progu miałaby nastąpić tzw. katastrofa entropii, czyli stan, w którym ciało stałe byłoby bardziej nieuporządkowane niż ciecz. Kłóciłoby się to z 2. zasadą termodynamiki. Tymczasem w tym eksperymencie czas działania był tak krótki, iż procesy prowadzące do topnienia nie zdążyły zajść. Złoto wciąż miało uporządkowaną strukturę, mimo tego, iż przekazało atomom ogromną ilość energii.
Jak naukowcy zmierzyli tak ekstremalną temperaturę?
Do określenia temperatury użyto nowoczesnej metody opartej na dyfrakcji promieni rentgenowskich. Po podgrzaniu złota laserem w jego stronę skierowano impuls promieniowania X, a następnie mierzono zmiany energii w fotonach odbitych od jądra próbki.
Choć w skali eksperymentu tylko około 10 fotonów na każde 9 mld wracało z użytecznym sygnałem, to wielokrotne powtórzenia pomiaru pozwoliły wyciągnąć spójne dane. Dzięki temu zespół badawczy mógł ocenić, iż próbka osiągnęła ekstremalną temperaturę, a mimo to pozostała stała.
No dobra, ale co z tego wynika?
Wbrew pozorom eksperyment nie został przeprowadzony z myślą o biciu rekordów, ale o lepszym zrozumieniu procesów nagrzewania metali w ekstremalnych warunkach. Wiedza o tym, jak materia zachowuje się w chwilowych skrajnych temperaturach, może znaleźć zastosowanie m.in. w badaniach nad wnętrzami planet, w projektowaniu nowych stopów odpornych na wysokie obciążenia termiczne czy w rozwijaniu technologii laserowych. Zjawisko superpodgrzania, jeżeli zostanie dokładniej zbadane, może w przyszłości pozwolić tworzyć materiały o niespotykanych dotąd adekwatnościach.
Dla autorów badania najciekawszy jest fakt, iż wynik pojawił się nieoczekiwanie. Nikt nie planował przekraczać granic podręcznikowych teorii. Odkrycie nie tylko prowokuje do ponownego przemyślenia granic fizyki materiałów, ale także udowadnia, iż w nauce wciąż jest miejsce na zaskoczenia. jeżeli kolejne zespoły potwierdzą te obserwacje, będzie to jeden z tych momentów, które przesuwają nasze rozumienie świata o duży krok naprzód.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: New Africa / Shutterstock
