Исследование, проведенное учеными Университета Брауна, показывает, что с температурой плавления металлов под чрезвычайно высоким давлением происходит нечто необычное.
Квантово-механические расчеты показывают, что температура плавления металлов уменьшается при экстремальном давлении, а это означает, что металлы, имеющие высокую плотность, могут иметь жидкую фазу, будучи даже более плотной, чем твердая.
Раньше считалось, что температура плавления металла увеличивается с ростом давления. Но за последнее время всё чаще наблюдается то, что в щелочных металлах (группа, которая включает натрий и литий), температура плавления фактически начинает снижаться при достижении определенного критического давления. Это явление стало называться «возвратным плавлением». Новое исследование показывает, что этот эффект, вероятно, выходит далеко за пределы щелочной группы.
«Возвратное плавление, на самом деле, является особенностью многих и, возможно, даже большинства металлических элементов периодической таблицы». «Эти результаты удивительны, потому что снижение температуры плавления с давлением означает, что жидкость становится плотнее, чем твердое вещество. Это явление хорошо известно в случае с водой, но до сих пор не относилось к плотным металлам».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review.
С целью моделирования поведения атомов в металле при различных температурах и давлении для исследования использовались квантово-механические вычислительные методы. Расчеты показали, что для щелочных металлов, таких как натрий, возвратное плавление начинает происходить при давлении около 30 гигапаскалей (примерно 300 000 раз выше атмосферного давления Земли).
Исследования также показали, впервые, что другие металлы теоретически тоже могут демонстрировать возвратное плавление при экстремальном давлении. Например, магний будет подвергаться возвратному плавлению на уровне около 300 гигапаскалей. Что касается алюминия, давление около 3500 гигапаскалей может вызвать аналогичный эффект.
Исследователи утверждают, что даже относительно плотные металлы могут иметь жидкую фазу, которая плотнее, чем твердая. «Металлические элементы обычно имеют такую плотно упакованную структуру, что кажется невозможным, чтобы жидкая фаза была более плотной, чем твердая».
Исследователи утверждают, что в настоящее время на Земле нет возможности достичь экстремальных давлений, которые вызывают возвратное плавление в металлах, кроме щелочных. Но полученные результаты могут иметь значение для понимания состава больших экзопланет, находящихся за пределами нашей солнечной системы.
«Это повышает вероятность того, что внутреннее давление больших планет может быть достаточным, чтобы вызвать наступление возвратного плавления». «Это означает, что их ядра будут состоять из слоев в последовательности жидкость-твердое состояние-жидкость, а не в более обычной последовательности жидкость-твердое вещество».
Источник: Researchers demonstrate strange melting point phenomenon in metals
К началу
