نظریه‌های فیزیک حالت جامد با بررسی طلا زیر سوال رفت!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،گروهی از پژوهشگران بین‌المللی در مطالعه‌ای جدید گزارش داده‌اند که طلا برخلاف پیش‌بینی‌های قبلی در برابر دمایی بسیار بالاتر از نقطه ذوب خود همچنان به حالت جامد باقی می‌ماند؛ موضوعی که می‌تواند به بازنگری اساسی در درک فیزیک ماده در شرایط شدید منجر شود.

به گزارش science alert در این پژوهش دانشمندان با بهره‌گیری از پالس‌های لیزری بسیار شدید و فوق‌کوتاه، قطعاتی نازک از طلا را از مرزی گذراندند که به فاجعه آنتروپی معروف است؛ نقطه‌ای که در آن، یک ماده جامد دیگر نمی‌تواند در برابر ذوب‌شدن مقاومت کند. این پدیده مشابه نقطه ذوب است، اما برای شرایطی که در آن فیزیک کلاسیک دیگر پاسخ‌گو نیست.

در این شرایط، ماده وارد حالتی به نام "فوق‌گرمایش" (Superheating) می‌شود. در این حالت یک جامد آن‌قدر سریع گرم می‌شود که اتم‌های آن زمان کافی برای ورود به حالت مایع را ندارند و ساختار بلوری آن برای مدت بسیار کوتاهی حتی در دمایی بسیار فراتر از نقطه ذوب، پایدار می‌ماند.

پیش‌تر تصور می‌شد که فاجعه آنتروپی در دمایی حدود سه برابر نقطه ذوب معمولی رخ می‌دهد. اما تیم تحقیقاتی با استفاده از روش نوینی برای محاسبه انرژی اشعه ایکس بازتاب‌شده و اندازه‌گیری دقیق انرژی گرمایی جذب‌شده دریافت که طلا می‌تواند تا ۱۴ برابر این حد نیز گرم شود، بدون آنکه ساختار جامد خود را از دست بدهد.

با وجود شگفتی این یافته هیچ‌یک از قوانین ترمودینامیک نقض نشده‌اند؛ بلکه نشان داده شده که در برخی موارد واکنش‌ها آن‌قدر سریع رخ می‌دهند که قوانین ترمودینامیک فرصت اعمال اثر ندارند. به نظر می‌رسد اتم‌های داخل طلا برای لحظه‌ای بسیار کوتاه، فضای لازم برای حرکت ندارند و همین امر باعث می‌شود انرژی گرمایی قبل از فروپاشی ساختار تخلیه شود.

محققان در این آزمایش موفق به رساندن دمای طلا به حدود ۱۹ هزار کلوین (معادل تقریبی ۱۸۷۰۰ درجه سلسیوس یا ۳۳۷۰۰ درجه فارنهایت) شدند، در حالی که طلا برای بیش از دو پیکوثانیه (هر پیکوثانیه برابر یک تریلیونم ثانیه است) ساختار جامد خود را حفظ کرد. این بازه زمانی کوتاه، اما حیاتی، باعث شد که پژوهشگران به بازنگری در مدل‌های فعلی بپردازند.

آنان در مقاله منتشرشده خود در نشریه Nature می‌نویسند: این اندازه‌گیری نه تنها از مرز‌های پیش‌بینی‌شده برای فاجعه آنتروپی فراتر رفت، بلکه آستانه‌ای بسیار بالاتر برای فوق‌گرمایش جامدات را پیشنهاد می‌دهد. در نتیجه درک بنیادی ما از پایداری فاز جامد در شرایط شدید دستخوش تغییر می‌شود.

این یافته می‌تواند پیامد‌های هیجان‌انگیزی برای فیزیکدانان داشته باشد؛ از جمله این احتمال که برخی مواد جامد، در شرایط خاص فوق‌گرمایش ممکن است اصولاً نقطه ذوب مشخصی نداشته باشند.

محققان در ادامه نوشته‌اند: آزمایش‌های ما به‌روشنی نشان می‌دهند که اگر یک ماده به‌قدر کافی سریع گرم شود، می‌توان از محدودیت‌های پیش‌فرض فوق‌گرمایش به‌راحتی عبور کرد.

کاربرد‌های احتمالی این یافته بسیار گسترده است، چراکه پدیده گرم‌شدن سریع نه‌تنها در برخورد‌های شهاب‌سنگ‌ها در اعماق فضا، بلکه در داخل رآکتور‌های هسته‌ای روی زمین نیز اتفاق می‌افتد. اکنون دانشمندان درک دقیق‌تری از آنچه در این شرایط رخ می‌دهد خواهند داشت.

پژوهشگران در نظر دارند بررسی کنند که آیا دیگر جامدات نیز همانند طلا در برابر فوق‌گرمایش واکنش نشان می‌دهند یا خیر و همچنین مرز‌های فاجعه آنتروپی را به شکل دقیق‌تری مشخص کنند؛ اقدامی که عملاً به ترسیم دوباره نقشه دمایی پایداری مواد جامد خواهد انجامید.

به گفته توماس وایت، فیزیکدان دانشگاه نوادا شاید فکر می‌کردیم که این مسئله را در دهه ۱۹۸۰ با تعیین محدودیت فوق‌گرمایش حل کرده‌ایم، اما اکنون به‌نظر می‌رسد این پرسش دوباره باز شده: واقعاً چقدر می‌توان یک ماده را گرم کرد قبل از آنکه ذوب شود؟