Ερευνητές θέρμαναν τον χρυσό σε αδιανόητες θερμοκρασίες χωρίς να τον λιώσουν, ανατρέποντας μια θεωρία ενός αιώνα και ανοίγοντας τον δρόμο για ανακαλύψεις στην ενέργεια σύντηξης και την πλανητική επιστήμη.
Θεωρίες που καταρρίφθηκαν και ρεκόρ θερμότητας
Οι επιστήμονες πέτυχαν ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα, θέτοντας ένα νέο ρεκόρ θερμοκρασίας, αμφισβητώντας μια μακροχρόνια αποδεκτή θεωρία και εφαρμόζοντας μια προηγμένη τεχνική φασματοσκοπίας λέιζερ σε πυκνά πλάσματα.
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Nature. Στη μελέτη με τίτλο “Υπερθέρμανση του χρυσού πέρα από το προβλεπόμενο όριο καταστροφής εντροπίας”, οι ερευνητές ανέφεραν ότι κατάφεραν να θερμάνουν τον χρυσό σε θερμοκρασία πάνω από 19.000 Κέλβιν (19.427 βαθμοί Κελσίου).
Δηλαδή, πάνω από 14 φορές από το κανονικό σημείο τήξης του – ωστόσο ο χρυσός διατήρησε τη στερεή, κρυσταλλική του μορφή.
“Αυτό είναι πιθανώς το πιο καυτό κρυσταλλικό υλικό που έχει καταγραφεί ποτέ”, είπε ο Thomas White, κύριος συγγραφέας και καθηγητής, Clemons-Magee Endowed Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Reno.
Αψηφώντας την Καταστροφή της Εντροπίας
To πείραμα αψηφά απευθείας την παραδοσιακή θεωρία που είναι γνωστή ως καταστροφή της εντροπίας. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, τα στερεά δεν μπορούν να παραμείνουν άθικτα σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από περίπου τρεις φορές το σημείο τήξεώς τους και θα έπρεπε αντ’ αυτού, να λιώνουν από μόνα τους.
Το σημείο τήξης του χρυσού είναι 1.064 βαθμοί Κελσίου, ωστόσο σε αυτό το πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, το μέταλλο παρέμεινε στερεό πολύ πέρα από αυτό το όριο, όταν χτυπήθηκε με ισχυρό λέιζερ.
“Περίμενα να θερμανθεί πολύ ο χρυσός πριν να λιώσει, όμως δεν περίμενα αύξηση της θερμοκρασίας κατά δεκατέσσερις φορές παραπάνω”, εξηγεί ο White.
Πείραμα σε ταχύτητα λέιζερ
Oι ερευνητές του πανεπιστημίου της Νεβάδα, του Reno, του εργαστηρίου εθνικού επιταχυντή SLAC, του πανεπιστημίου της Οξφόρδης, του πανεπιστημίου Queen στο Μπέλφαστ, του ευρωπαϊκού XFEL, και του πανεπιστημίου του Warwick, σχεδίασαν ένα πείραμα, για να ζεστάνουν ένα λεπτό χρυσό έλασμα με τη χρήση λέιζερ που πυροδοτήθηκε σε 50 τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού).
Η ταχύτητα με την οποία θερμάνθηκε ο χρυσός φαίνεται να είναι ο λόγος που ο χρυσός παρέμεινε στερεός.
Τα ευρήματα, υποδηλώνουν πως, τα όρια των υπερθερμαινόμενων στερεών, μπορεί να είναι πολύ υψηλότερα – ή ανύπαρκτα – αν η θέρμανση γίνει αρκετά γρήγορα.
Οι νέες μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την μελέτη, “ανοίγουν” τον τομέα της φυσικής υψηλής πυκνότητας ενέργειας σε περαιτέρω εξερεύνηση, εμπερικλείοντας περιοχές της πλανητικής φυσικής και της έρευνας στην ενέργεια σύντηξης.
Ο White και η ομάδα του, περίμεναν πως το χρυσό θα λιώσει στο σημείο τήξης, αλλά για να μετρήσουν τη θερμοκρασία στο εσωτερικό έλασμα, χρειάζεται πολύ ειδικό θερμόμετρο.
“Χρησιμοποιήσαμε την Πηγή Συνεχούς Φωτός Linac (Linac Coherent Light Source), λέιζερ ακτίνων-Χ μήκους 3 χιλιομέτρων στο SLAC, ως ουσιαστικά το μεγαλύτερο θερμόμετρο στον κόσμο”, είπε ο White. “Αυτό μας επέτρεψε να μετρήσουμε για πρώτη φορά τη θερμοκρασία μέσα στο πυκνό πλάσμα, κάτι που δεν ήταν δυνατόν μέχρι τώρα”.
Πιθανότητα έρευνας στην έρευνα σύντηξης
“Αυτή η εξέλιξη ανοίγει το δρόμο για διαγνωστικά θερμοκρασίας σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων υψηλής πυκνότητας ενέργειας”, είπε ο Bob Nagler, επιστημονικός συνεργάτης στο SLAC και συγγραφέας της μελέτης. “Συγκεκριμένα, προσφέρει την μοναδική άμεση μέθοδο που είναι διαθέσιμη αυτή τη στιγμή για την ανίχνευση της θερμοκρασίας των θερμών, πυκνών καταστάσεων που συναντώνται κατά τη φάση της έκρηξης σε πειράματα ενέργειας σύντηξης αδρανούς. Ως εκ τούτου, είναι έτοιμο να προσφέρει μια μεταμορφωτική συνεισφορά στην κατανόηση και τον έλεγχο των συνθηκών πλάσματος που σχετίζονται με τη σύντηξη“.
Μαζί με τους σχεδιαστές του πειράματος, το ερευνητικό άρθρο αποτελεί αποτέλεσμα μιας δεκαετίας εργασίας και συνεργασίας μεταξύ του Πανεπιστημίου Κολούμπια, του Πανεπιστημίου Πρίνστον, του Πανεπιστημίου Παδούα και του Πανεπιστημίου Καλιφόρνιας, Merced.
“Είναι εξαιρετικά συναρπαστικό που αυτά τα αποτελέσματα είναι τώρα διαθέσιμα στον κόσμο, και ανυπομονώ να δω ποιες προόδους μπορούμε να κάνουμε στον τομέα με αυτές τις νέες μεθόδους”, είπε ο White.
Επεκτείνονται τα όρια της φυσικής υψηλής ενέργειας
Η έρευνα, που χρηματοδοτείται από τον Εθνικό Οργανισμό Πυρηνικής Ασφάλειας, θα ανοίξει νέες πόρτες στις μελέτες υπερθερμασμένων υλικών.
“Το Πρόγραμμα Ακαδημαϊκών του Εθνικού Οργανισμού Πυρηνικής Ασφάλειας (NNSA) είναι υπερήφανος υποστηρικτής της πρωτοποριακής καινοτομίας και της συνεχιζόμενης μάθησης που η Δρ. White και η ομάδα της ηγούνται, προκειμένου να προάγουν μελλοντικούς κρίσιμους τομείς έρευνας που θα είναι ωφέλιμοι για την Πυρηνική Ασφάλεια”, είπε ο Jahleel Hudson, διευθυντής του Γραφείου Τεχνολογίας και Συνεργασιών της NNSA.
Εξερευνώντας το εσωτερικό των πλανητών
Ο White και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ξανά την Πηγή Συνεχούς Φωτός Linac τον Ιούλιο για να μετρήσουν τη θερμοκρασία μέσα σε καυτό συμπιεσμένο σίδηρο και χρησιμοποιούν αυτά τα αποτελέσματα για να αποκτήσουν γνώσεις σχετικά με το εσωτερικό των πλανητών.
Μερικοί από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του White και ένας προπτυχιακός φοιτητής ήταν ανάμεσα στους συγγραφείς της μελέτης, συμπεριλαμβανομένων του υποψήφιου διδάκτορα Travis Griffin, του προπτυχιακού φοιτητή Hunter Stramel, του Daniel Haden, πρώην μεταδιδακτορικού ερευνητή στο εργαστήριο του White, του Jacob Molina, πρώην προπτυχιακού φοιτητή που αυτή τη στιγμή κάνει διδακτορικό στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, και του Landon Morrison, πρώην προπτυχιακού φοιτητή που είναι στο μεταπτυχιακό στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
Ο Jeremy Iratcabal, βοηθός καθηγητή έρευνας στο Τμήμα Φυσικής, ήταν επίσης ένας από τους συγγραφείς της εργασίας.
“Είμαι απίστευτα ευγνώμων για την ευκαιρία να συνεισφέρω σε τόσο πρωτοποριακή επιστήμη, χρησιμοποιώντας πλατφόρμες πειραμάτων δισεκατομμυρίων δολαρίων, μαζί με συνεργάτες παγκόσμιας αναγνώρισης”, είπε ο Griffin. “Αυτή η ανακάλυψη αναδεικνύει τη δύναμη αυτής της τεχνικής, και είμαι ενθουσιασμένος με τις δυνατότητες που ανοίγει για το μέλλον της φυσικής υψηλής πυκνότητας ενέργειας και της έρευνας στη σύντηξη. Μετά την αποφοίτησή μου, θα συνεχίσω αυτό το έργο ως επιστημονικός συνεργάτης στο Ευρωπαϊκό XFEL”.
