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매우 높은 온도와 압력의 극한 조건에서 물질은 놀라울 정도로 단순하고 보편적인 것으로 밝혀졌습니다.

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크레딧: Pixabay/CC0 공개 도메인

Queen Mary University of London의 과학자들은 “초임계 물질”의 거동에 대해 두 가지 발견을 했습니다. 액체와 기체의 차이가 사라지는 것처럼 보이는 임계점에서의 물질입니다.

비교적 낮은 온도와 압력에서 물질의 거동은 잘 이해되었지만 높은 온도와 압력에서 물질의 그림은 흐릿했습니다. 임계점 이상에서는 액체와 기체의 차이가 사라지고 초임계 물질이 뜨거워지고 밀도가 높아져 균질해지는 것으로 여겨졌다.

연구자들은 초임계 상태에서 이 문제에 대해 아직 발견되지 않은 새로운 물리학이 있다고 믿었습니다.

열용량과 시스템에서 파동이 전파될 수 있는 길이라는 두 가지 매개변수를 적용하여 두 가지 중요한 발견을 했습니다. 첫째, 그들은 물질이 액체와 같은 물리적 특성에서 기체와 같은 물리적 특성으로 변하는 둘 사이에 고정된 반전점이 있음을 발견했습니다. 그들은 또한 이 반전점이 연구된 모든 시스템에서 현저하게 가깝다는 것을 발견했으며, 이는 초임계 물질이 흥미롭게 단순하고 새로운 이해가 가능하다는 것을 알려줍니다.

물질의 상태와 상전이도에 대한 기본적인 이해뿐만 아니라 초임계 물질을 이해하는 것은 많은 실제 적용이 가능합니다. 수소와 헬륨은 목성과 토성과 같은 거대한 가스 행성에서 초임계적이며 따라서 그들의 물리적 특성을 지배합니다. 녹색 환경 응용 분야에서 초임계 유체는 유해 폐기물을 파괴하는 데 매우 효율적인 것으로 입증되었지만 엔지니어는 초임계 프로세스의 효율성을 개선하기 위해 이론의 지침을 점점 더 원합니다.

런던의 Queen Mary University 물리학 교수인 Kostya Trachenko는 “초임계 물질의 주장된 보편성은 극한 조건에서 물리적으로 투명한 물질의 새로운 그림으로 가는 길을 열어줍니다. 이것은 근본적인 관점에서 흥미로운 전망입니다. 물리학뿐만 아니라 녹색 환경 응용, 천문학 및 기타 분야의 초임계 속성을 이해하고 예측합니다.

“이 여정은 진행 중이며 미래에 흥미로운 발전을 볼 가능성이 높습니다. 예를 들어, 고정 반전점이 기존의 고차 상전이와 관련이 있는지 여부에 대한 질문을 제기합니까? 관련된 기존 아이디어를 사용하여 설명할 수 있습니까? 상전이 이론, 아니면 새롭고 상당히 다른 것이 필요한가요? 알려진 것의 한계를 뛰어넘어 우리는 이러한 새롭고 흥미로운 질문을 식별하고 답을 찾기 시작할 수 있습니다.”

방법론

초임계 물질을 이해하는 데 있어 가장 큰 문제는 기체, 액체 및 고체 이론을 적용할 수 없다는 것이었습니다. 어떤 물리적 매개변수가 초임계 상태의 가장 두드러진 특성을 밝혀낼지는 불분명했습니다.

낮은 온도와 압력에서 액체에 대한 초기 이해로 무장한 연구자들은 초임계 물질을 설명하기 위해 두 가지 매개변수를 사용했습니다.

1. 첫 번째 매개변수는 일반적으로 사용되는 속성입니다. 이것은 시스템이 얼마나 효율적으로 열을 흡수하는지 보여주고 시스템의 자유도에 대한 필수 정보를 포함하는 열용량입니다.

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2. 두 번째 매개변수는 덜 일반적입니다. 이것은 시스템에서 파동이 전파될 수 있는 길이입니다. 이 길이는 포논에 사용할 수 있는 위상 공간을 제어합니다. 이 길이가 가능한 가장 작은 값에 도달하고 원자 간 분리와 같아지면 정말 흥미로운 일이 발생합니다.

과학자들은 이 두 가지 매개변수의 관점에서 고압 및 고온의 극한 조건에서 문제가 현저하게 보편화된다는 것을 발견했습니다.

이 보편성은 이중적이다. 첫째, 열용량 대 파동 전파 길이의 플롯은 물리적으로 다른 두 초임계 상태(액체 상태와 기체 상태) 사이의 전환에 해당하는 눈에 띄는 고정 반전 지점을 가지고 있습니다. 이 역전점을 지나면 초임계 물질은 주요 물리적 특성을 변경합니다. 역전점은 중요하게 두 상태를 분리하는 명확한 방법으로 작용합니다. 이는 한동안 과학자들의 마음을 사로잡았던 것입니다.

둘째, 이 반전점의 위치는 연구된 모든 유형의 시스템에서 현저하게 가깝습니다. 이 두 번째 보편성은 알려진 다른 모든 전환점과 현저하게 다릅니다. 예를 들어, 물질의 세 가지 상태(액체, 기체, 고체)가 모두 공존하는 삼중점과 기체-액체 끓는선이 끝나는 임계점의 두 전환점은 시스템마다 다릅니다. 다른 한편으로, 극한의 초임계 조건에서 모든 시스템의 동일한 반전점은 초임계 물질이 흥미롭게 단순하다는 것을 알려줍니다.

이 단순함을 발견하고 증명하는 것은 “초임계 상태에서 전이의 이중 보편성”이라는 논문의 주요 결과입니다. 과학 발전.


분자 규모의 상 경계: ‘원시’ 액체-기체 전이


추가 정보:
C. Cockrell et al, 초임계 상태에서 전이의 이중 보편성, 과학 발전 (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq5183. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5183

제공: Queen Mary, University of London

소환: 매우 높은 온도와 압력의 극한 조건에서의 문제는 https://phys.org/news/2022-08-extreme-conditions-high-에서 2022년 8월 13일 검색된 매우 간단하고 보편적인 것으로 밝혀졌습니다(2022년 8월 12일). 온도-압력.html

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