Сульфид мышьяка образует три разных жидкости
|
Эксперименты российских и японских физиков показали, что одно и то же вещество — сульфид мышьяка — при разных давлениях образует три разных жидкости: молекулярную, полимерную и металлическую.
Известная со школьной скамьи тройка агрегатных состояний «твердое тело—жидкость—газ» даже близко не отражает то богатство фаз (то есть вариантов микроскопического устройства), которые может иметь одно и то же вещество при разных давлениях и температурах. Для многих веществ совершено обычна ситуация, когда они при обычном давлении имеют одну кристаллическую решетку, а при давлении в десятки тысяч атмосфер вдруг перестраивают ее в другую, более компактную. Происходящие при этом изменения могут быть даже заметны невооруженным глазом; один из самых красивых примеров такого превращения — твердый кислород, который при давлении выше 80 тысяч атмосфер приобретает кроваво-красный цвет.
Если вернуться к нормальному давлению и теперь нагреть вещество, то оно расплавится. Возникает естественный вопрос — что будет происходить с этим расплавом, если при высокой температуре постепенно повышать давление? Будет ли он оставаться «просто жидкостью», или же будут происходить превращения между разными вариантами этой жидкости?
В последние годы этот вопрос активно изучается с самых разных сторон. Он интересен как экспериментаторам (чем именно отличаются эти жидкости, могут ли они сосуществовать друг с другом, встречаются ли такие ситуации в природе), так и теоретикам (как научиться теоретически предсказывать наличие нескольких жидких фаз, как они зависят от межмолекулярных сил). Многочисленные эксперименты последних лет действительно показали, что у некоторых простых жидкостей (фосфор, сера, висмут, некоторые оксиды и галогениды) существует переход между «легкой» и «тяжелой» (то есть более плотной) формами жидкости. На сегодняшний момент таких веществ набралось уже свыше десятка.
И вот взят новый рубеж. В недавней работе российских исследователей из Института физики высоких давлений (ИФВД) в Троицке и их японских коллег из Центра синхротронного излучения SPring-8, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описывается вещество-рекордсмен — сульфид мышьяка, у которого есть три разных жидкости!
Сульфид мышьяка AsS при обычных давлениях образует минерал реальгар. Кристаллическая решетка у него необычная — она образована не атомами, а целыми молекулами As4S4 (см. рисунок). При повышении давления кристаллический реальгар перестраивает решетку и превращается в хорошо известную фазу AsS(II). Кроме этого, авторы работы обнаружили, что в узком диапазоне давлений и температур (около 28 тысяч атмосфер и 500°C) возникает третья кристаллическая разновидность, AsS(III). Подробные данные по этим кристаллическим фазам авторы обещают представить в будущей публикации, поскольку данная статья была посвящена изучению расплава AsS.
Расплав реальгара при невысоких давлениях — это молекулярная жидкость с умеренной вязкостью. Однако сжав эту жидкость давлением около 20 тысяч атмосфер, физики заставили ее полимеризоваться, из-за чего многократно возросла ее вязкость. Структурные изменения легко обнаружимы с помощью рассеяния на малые углы синхротронного излучения, получаемого на SPring-8. Наконец, при еще более высоком давлении, около 50 тысяч атмосфер, расплав превращается в жидкость с очень малой вязкостью. Более того, опыты по пропусканию электрического тока показали, что в этот момент сильно, в сотни раз, возрастает электрическая проводимость расплава. Иными словами, расплав становится металлической жидкостью.
|
Обнаружив эти три формы жидкости, физики заинтересовались: что с ними произойдет при резком охлаждении, но постоянном давлении? Оказалось, что обычная жидкость при низком давлении возвращалась в обычный поликристаллический минерал реальгар, металлическая жидкость при высоком давлении кристаллизовалась в AsS(II), а вот вязкая полимерная жидкость при резком остывании не успевала кристаллизоваться и застывала в стеклообразном состоянии.
Эти данные наводят на очень интересные размышления. Авторы справедливо обращают внимание на некую симметричность получившейся диаграммы состояний (она называется фазовой диаграммой вещества): последовательность жидких фаз выше линии плавления примерно повторяет последовательность кристаллических фаз ниже нее. По мнению авторов, это совсем не случайное совпадение; более того, сотрудники троицкого ИФВД уже неоднократно высказывали мысль о том, что такая ситуация должна встречаться у многих веществ и, может быть, даже является новым универсальным законом природы.
Авторы, впрочем, замечают, что свои выводы о вязкости расплава они получали на основании косвенных данных — по тому, успевает или нет кристаллизоваться вещество при резком охлаждении. Для подтверждения этих выводов требуются новые эксперименты с прямым измерением вязкости расплава. Ну а теоретикам тем временем предстоит придумать теорию, которая бы описывала вещество с несколькими жидкими фазами.
Источник: V. V. Brazhkin, Y. Katayama, M. V. Kondrin, T. Hattori, A. G. Lyapin, H. Saitoh, AsS Melt Under Pressure: One Substance, Three Liquids // Phys. Rev. Lett. 100, 145701 (8 April 2008).
Игорь Иванов
