ذوب یک ماده جامد در پایین تر از نقطه انجماد

به لطف نوع عملکرد پیوندهای شیمیایی بین مولکول ها، تغییرات فازی به طور کلی نسبتاً ساده هستند – وقتی یک ماده به نقطه انجماد خود برسد شروع به جامد شدن می کند و وقتی به نقطه جوش خود برسد شروع به بخار شدن می کند.

به گزارش کلیک، دانشمندان به تازگی پی برده اند که چگونه می توانند در این تغییرات بنیادین به طور جدی تداخل ایجاد کنند، آنها برای اولین بار موفق شده اند تا فلز جامد بیسموت را در دماهای بسیار پایین تر از نقطه انجماد آن به یک مایع ذوب کنند.
اگر بخواهم این عمل دیوانه وار را توضیح بدهم باید بگویم که این کار مانند منجمد کردن یک ظرف آب از طریق کاهش دمای آن به پایین تر از صفر درجه سانتیگراد (۳۲ درجه فارنهایت) و سپس وادار کردن یخ به تبدیل شدن به مایع بدون تغییر دمای آن است.
این گروه از دانشمندان از موسسه کارنیجی آزمایشگاه ژئوفیزیک واشنگتن اشاره می کنند، ما دریافته ایم که دو نوع تغییر فاز در جهان وجود دارد و یکی از آنها بسیار تصادفی تر از آن است که ما بتوانیم تصور کنیم.

نوع اول، تغییرات فاز ساده ای که ما در مدرسه آموخته ایم را توضیح می دهد (مایع به جامد، مایع به گاز)، که توسط پیوندهای شیمیایی تغییر نیافته کنترل می شوند.
در این نوع از تغییر فاز، با تغییر ماده از حالتی به حالت دیگر پیوندهای شیمیایی شکسته نمی شوند، اما جهت و طول آنها تغییر می کند تا امکان تغییرات فیزیکی عمده اما برگشت پذیر فرآهم شود.
یک پدیده عجیب به نام ” تغییرات فاز ترمیمی” نیز وجود دارد که بسیار بی نظم بوده و پیش بینی آن دشوار است زیرا با شکستن بخش های خاصی از پیوندهای شیمیایی باعث تغییرات ساختاری قابل توجهی در ماده همزمان با ورود آن به یک فاز جدید می شود.
اما، مسئله عجیب این است که این تغییر فاز تصادفی در طبیعت بسیار رایج تر از تغییرات فاز ساده است.
گویین شِن یکی از اعضای گروه در گفتگو با رایان مندل بام از سایت Gizmodo می گوید، ” ما تقریباً همیشه تغییرات فاز را تجربه کرده ایم، اما واقعاً اطلاعات کمی درباره آن داریم. “

شِن و گروهش یک قطعه از ماده بیسموت کریستالی ( فلز شگفت انگیز رنگین کمانی) را در یک ظرف سندان الماس قرار دادند و آن را در معرض فشار و کاهش فشار در دامنه ۳۲ هزار برابر فشار اتمسفر (GPa 3.2) تا ۱۲ هزار اتمسفر (Gpa 1.2) در دمای ۲۱۶ درجه سانتیگراد (۴۲۰ درجه فارنهایت یا ۴۸۹ کلوین) قرار دادند.
این دما مهم است زیرا نقطه ذوب بیسموت ۲۷۱٫۵۲ درجه سانتیگراد (۵۲۰٫۷۴ درجه فارنهایت یا ۵۴۴٫۶۷ کلوین) است، این بدین معناست که در دماهای زیر این نقطه فلز باید جامد باقی بماند.
بعد از این که بیسموت در معرض فشار ۳۲ هزار اتمسفر قرار گرفت، این گروه به آرامی شروع به کاهش فشار آن کردند.
در فشار ۲۳ هزار اتمسفر بیسموت شروع به مایع شدن کرد و تا فشار ۱۵ هزار اتمسفر در این حالت باقی ماند.
در فشار پایین تر از ۱۵ هزار اتمسفر این فلز شروع به تبلور مجدد کرد و وقتی به ۱۲ هزار اتمسفر رسید به جامد تغییر یافت، به طوری که به هیچ تغییرات دمایی نیاز نبود.
این گروه با اشاره به این مایع غیر منتظره به عنوان یک ” مایع بی ثبات ” پی بردند که تا زمانی که شرایط این مایع بدون تغییر باقی بماند می تواند برای چندین ساعت زیر نقطه ذوب بیسموت دوام بیاورد.

اما برخلاف تغییرات فازی ساده که بر پایه پیوندهای شیمیایی بدون تغییر هستند، اگر شما در یک مایع بی ثبات آشفتگی ایجاد کنید آن سریعاً به حالت معمول خود باز می گردد.
مندل بام می گوید، ” مایعات بی ثبات تا حدودی جای خود را در قوانین فیزیک یافته اند، البته در صورتی که بتوانند مایع باقی بمانند، اما آنها مانند یک بشقاب در حال چرخش بر روی یک چوب هستند و هرگونه اختلال باعث می شود اتم های آنها به سرعت به حالت جامد بازگردند.”
پژوهشگران همچنین پی برده اند که این مایع بی ثبات در همان دامنه فشار- دمای مشابه بیسموت فوق منجمد شده شکل گرفته است، بیسموت فوق منجمد شده شکل دیگری از تغییر فازی ترمیمی است که دانشمندان از قبل با آن آشنا بوده اند.

وقتی یک ماده فوق منجمد می شود بدین معناست که یک مایع به دمای بسیار پایین تر از نقطه انجماد خود سرد شده است، بدون این که به جامد یا کریستال تبدیل شود.
برای مثال، آب معمولاً در صفر درجه سانتیگراد (۳۲ درجه فارنهایت یا ۲۷۳٫۱۵ کلوین ) منجمد می شود، اما می تواند تا محدوده دمای ۴۸٫۳- درجه سانتیگراد (۵۵- درجه فرانهایت یا ۲۲۴٫۸ کلوین) فوق منجمد شود، در حالی که در حالت مایع باقی بماند و یخ نزند.
پژوهشگران می گویند حالا که ما از وجود این دو نوع تغییرات فازی ترمیمی آگاهی داریم – یعنی فوق منجمد شدن و مایعات بی ثبات — این نشانه نسبتاً خوبی است بر این که آنها در طبیعت بیش از آنچه تصور می کردیم متداول هستند.

اکنون که ما اولین نشانه از روی دادن واقعی این پدیده را در اختیار داریم، می دانیم که در مواد عجیب دیگر به دنبال چه باشیم – بر روی زمین و فراتر از آن – و این می تواند به ما کمک کند تا حالت هایی از مواد را تولید کنیم که تاکنون حتی تصور آن را نمی کردیم.
شِن در یگ گفتگوی رسانه ای اشاره می کند، ” به دلیل این که تغییرات فازی ترمیمی بنیادی ترین نوع تغییر هستند، این پژوهش یک روش کاملاً جدید برای درک چگونگی تغییر مواد گوناگون فرآهم می کند. ”
” امکان دارد مواد دیگر نیز وقتی تحت تغییرات ترمیمی قرار بگیرند بتوانند مایع بی ثبات مشابه ای را آشکار کنند و این پدیده متداول تر از آن چیزی است که ما فکر می کردیم. نتایج آن بدون شک به شگفتی های بی شماری در علم مواد و علم نجوم در سال های آتی منجر خواهد شد.”

این پژوهش در سایت Nature Communications منتشر شده است.

یک دیدگاه