Zlato je díky svým chemickým a fyzikálním vlastnostem jedním z nejvíce prozkoumaných a nejcennějších kovů. Jeho odolnost proti korozi a tepelná stabilita hrály klíčovou roli v oblastech, jako je šperkařství a pokročilé technologie. Po staletí byly tyto vlastnosti považovány za neměnné fyzikální charakteristiky. Nedávný experiment se zlatem však všechny představy převrátil naruby.
Nedávné pokroky v oblasti ultrarychlých metod ohřevu a atomových měření umožnily vědcům zkoumat scénáře, které byly dříve nedosažitelné. Tyto experimenty otevřely prostor pro nejistotu ohledně takových základních pojmů, jako je bod tání.
Takto experiment se zlatem změnil představy o fyzikálních limitech
Mezinárodní skupina vědců použila ultrakrátký pulzní laser k ohřevu fragmentů zlata o tloušťce 50 nanometrů. Za normálních podmínek se tento kov taví při teplotě 1064 stupňů Celsia.
Během experimentu však byly dosaženy teploty kolem 18 700 stupňů Celsia, přičemž pevná struktura se nerozpadla okamžitě. Tyto výsledky již byly publikovány v časopise Nature.
Tento jev se nazývá přehřátí nebo superheating. Spočívá nejen v překročení bodu tání, ale také v tom, že k němu dochází tak rychle, že atomy nestihnou přejít do kapalného stavu. V tomto případě si zlato zachovalo svou pevnou strukturu déle než dvě pikosekundy, což je v atomovém měřítku značná doba.
Rychlost ohřevu překročila 6 × 10¹⁵ kelvinů za sekundu, což výrazně převyšuje všechny předchozí pokusy. Při takové rychlosti se teplo akumuluje dříve, než atomy stačí reagovat, což zabraňuje tepelné expanzi a destrukci krystalové mřížky.
Zpochybnění teorie entropické katastrofy
Od roku 1988 je v materiálové fyzice uznávána koncepce entropické katastrofy, která říká, že tuhé těleso nemůže překročit hranici rovnající se trojnásobku jeho teploty tání, aniž by došlo k jeho roztavení.
Tento model, navržený Fektem a Johnsonem, předpokládá, že při dosažení určitého bodu je nepořádek v pevném tělese rovný nepořádku v kapalině, což znemožňuje jeho stabilitu.
Výsledky experimentu se zlatem tuto myšlenku vyvracejí. Podle údajů zůstal kov pevný při teplotách výrazně převyšujících teorie předpovídané.
Klíčem k rozluštění je skutečnost, že při extrémně rychlém zahřívání entropie pevného tělesa nedosáhne úrovně entropie kapaliny před dokončením přechodu. Tím se zabrání termodynamickému kolapsu předpovězenému klasickou teorií.
Jak byla měřena extrémní teplota?
Úspěch experimentu závisel na schopnosti měřit mimořádné teploty v extrémně krátkých časových intervalech.
Vědci použili techniku neelastického rozptylu rentgenových paprsků v konfiguraci zpětného rozptylu. Tato metoda umožňuje přímo pozorovat rozložení rychlostí iontů, což odráží způsob, jakým atomová struktura vibruje při získávání energie.
Každý laserový impuls generoval balistické elektrony, které okamžitě přenášely teplo na tepelné elektrony a ty zase na ionty krystalické mřížky. Analýzou spektrálního rozšíření rentgenových paprsků se podařilo přesně určit dosaženou teplotu, aniž by bylo nutné spoléhat se na nepřímé modely.
Měření potvrdila, že difrakční signál charakteristický pro pevné zlato přetrvával až do 19 000 kelvinů a zmizel až po dvou až třech pikosekundách. To svědčilo o tom, že zlato zůstávalo pevné v teplotním rozmezí, které bylo v tradiční fyzice považováno za nemožné.
Důsledky a možné aplikace tohoto experimentu se zlatem
Autoři studie předpokládají, že některé materiály nemusí mít pevnou teplotu tání za podmínek extrémně rychlého zahřívání. V takovém případě bude obvyklá hodnota spíše důsledkem časové škály experimentu než vnitřní vlastností.
Tato možnost vyvolává otázky o chování pevných látek v extrémních podmínkách, jako jsou vnitřní část planet, asteroidní nárazy nebo jaderné výbuchy.
Porozumění těmto procesům může poskytnout důležité údaje pro astrofyziku, fyziku plazmatu a vývoj nových odolných materiálů.
Zbývá určit, zda je tento jev výlučný pro zlato, nebo se může opakovat u jiných prvků. Pokud se potvrdí u jiných materiálů, bude nutné zásadně přehodnotit současný teoretický základ stability pevných látek.
Co se mění pro materiálové vědy?
Experiment se zlatem nejen vyvrací teoretický limit, který platil více než tři desetiletí, ale také zavádí experimentální přístup, který může přehodnotit základy fyziky materiálů.
Když se teplo přenáší rychleji, než může látka reagovat, známá pravidla přestávají platit.
Kombinace ultrarychlých laserů a vysoce přesných zdrojů rentgenového záření hrála v tomto průlomu rozhodující roli. S zdokonalováním těchto technologií bude možné provádět delší experimenty s větší kontrolou a na širším spektru materiálů.
V současné době tento objev otevírá novou cestu pro výzkum stability pevných látek a jejich tepelné odolnosti, což je oblast, která může v příštích desetiletích změnit jak teorii, tak praxi materiálového inženýrství.
