Подтвердили новый фундаментальный закон для жидкостей

Первое экспериментальное свидетельство, подтверждающее недавно опубликованный универсальный закон, который дает представление о сложных энергетических состояниях жидкостей, было найдено с использованием передовой ядерной техники в ANSTO. Работа только что была опубликована в Journal of Physical Chemistry Letters по выбору редактора и размещена на обложке журнала. Уравнение для колебательной плотности состояний, сформулированное Алессио Дзакконе и Маттео Багглиоли, было опубликовано в статье в PNAS в 2021 году и дало ответ на вопрос, который оставался неуловимым в течение как минимум столетия. Элегантная математическая теория решила задачу получения распределения этих сложных энергетических состояний для жидкостей.

«Одной из важнейших величин в физике материи является распределение частот или колебательных энергий волн, распространяющихся в материале. Это особенно важно, поскольку является отправной точкой для расчета и понимания некоторых фундаментальных свойств материи, такие как удельная теплоемкость и теплопроводность, а также взаимодействие света и вещества», — сказал профессор Закконе на веб-сайте Миланского университета. «Большая проблема с жидкостями состоит в том, что помимо акустических волн существуют и другие типы колебательных возбуждений, связанных с низкими энергиями неупорядоченного движения атомов и молекул, — возбуждения, которые почти отсутствуют в твердых телах. Эти возбуждения обычно кратковременны. и связаны с динамическим хаосом молекулярных движений, но, тем не менее, очень многочисленны и важны, особенно при низких энергиях. Математически эти возбуждения, известные в специальной литературе как «мгновенные нормальные моды» или INM, очень трудно иметь дело, поскольку они соответствуют к энергетическим состояниям, описываемым мнимыми числами».

Времяпролетный нейтронный спектрометр Pelican в Центре рассеяния нейтронов ANSTO использовался для измерения колебательных плотностей состояний нескольких жидких систем, включая воду, жидкий металл и полимерные жидкости. Прибор Pelican обладает чрезвычайной чувствительностью для измерения вращательных и поступательных колебаний за короткие интервалы времени и при низких энергиях. Эксперименты в ANSTO подтвердили линейную зависимость колебательной плотности состояний от частоты при низких энергиях, предсказанную Алессио Закконе и Маттео Бальоли. Из-за блокировки COVID и отсутствия доступа к инструментам небольшая команда, в которую входил доктор философии Университета Вуллонгонга. Кандидат Калеб Стампер, доктор Корти и доктор Ю решили сосредоточиться на повторном анализе прошлых экспериментальных данных с новой точки зрения, чтобы подтвердить новый закон, вдохновленный теоретической работой Алессио Закконе и Маттео Бальоли.

«Упражнение не только дает такой отличный результат, но также обеспечивает хорошее введение Калеба в нейтронную спектроскопию, который проделал отличную работу», — сказал д-р Ю, руководитель Калеба в ANSTO и соответствующий автор статьи. Эта работа также поможет им решить вопросы, связанные с фазовыми переходами в суперионных жидкостях, в их работе над термоэлектрическими материалами. «Основные проблемы возникают из-за того, что жидкости механически нестабильны, поскольку атомы в жидкости диффундируют, и жидкость в целом будет течь», — объяснил доктор Корти. Универсальный закон основан на теоретической структуре, известной как мгновенные нормальные режимы, как описано профессором Закконе выше, которые предписывают набор мгновенных сил, частот и скоростей как величин. Сложность построения теории для предсказания колебательной плотности состояний в жидкостях возникла из-за наличия малой доли «мнимых мод».

«Мнимые моды важны, потому что они отражают тот факт, что жидкость нестабильна. Атомы в жидкости все время сильно взаимодействуют друг с другом, но не так, как это происходит в твердом теле. Связь не является «гармонической», что означает, что атомы не будут восстановлены в той же конфигурации после взаимодействия. Атомы будут продолжать быстро диффундировать и скользить друг мимо друга», — сказал Стампер. «Мнимые моды отражают отрицательную кривизну на поверхности потенциальной энергии жидкости. Это очень сложный энергетический ландшафт, но если вы вспомните аналогию серфера на океанской волне. Атомы в жидкости следуют изгибам волны себя (см. обложку журнала). Но атомы могут находиться в положении на гребне, под доской для серфинга или в желобе, всегда в движении», — сказал доктор Ю. «Закон будет играть для жидкостей ту же ключевую роль, что и закон Дебая для твердых тел. Он послужит основой для всей области исследований, включающей жидкости и не только».

Источник