طلا تا دمایی ۱۴ برابر نقطه ذوب خود گرم شده بدون آنکه ذوب شود؛ این نتیجه پیش‌بینی‌های مربوط به محدودیت‌های ترمودینامیکی را به چالش کشیده و بینش‌های تازه‌ای درباره پایداری مواد در شرایط شدید آشکار کرده است.
در مطالعه‌ای که در ژورنال نیچر منتشر شده، پژوهشگران از گرمایش لیزری فوق‌سریع و پراکندگی بی‌کشسان پرتو ایکس با وضوح بالا استفاده کردند تا مرزهای پایداری ساختاری طلا را بررسی کنند.
فاجعه آنتروپی چیست؟
فاجعه آنتروپی نقطه بحرانی‌ای است که در آن آنتروپی (بی‌نظمی) کریستال‌های فوق‌داغ‌شده برابر با آنتروپی فاز مایع آنها می‌شود. پیش‌تر، به دلیل ناپایداری‌های متعدد در دماهای پایین‌تر، بررسی تجربی این نقطه غیرممکن بود اما با استفاده از فناوری‌های نوین، تیم تحقیقاتی موفق شد دامنه بررسی را فراتر از هر زمان دیگری گسترش دهد. آنها دریافتند که طلا حتی در دمای نزدیک به ۱۹۰۰۰ کلوین (بیش از ۱۴ برابر نقطه ذوب استاندارد) ساختار بلوری خود را حفظ می‌کند، که مرز در نظر گرفته‌شده برای فاجعه آنتروپی را زیر سوال می‌برد.
آزمایش فوق‌داغ‌شدن با لیزرهای سریع‌العمل
هدف پژوهشگران، آزمایش تجربی مرز بالایی فرضی برای فوق‌داغ‌شدن بود. طبق نظریه‌ها، یک جامد زمانی ناپایدار می‌شود که دمای آن به حدود سه برابر نقطه ذوب (Tm) برسد. پیشرفت در فناوری لیزرهای پالسی کوتاه به دانشمندان اجازه داده تا با نرخ گرمایش بالای ۱۰¹⁴ کلوین بر ثانیه، فرآیندهای کندتر و ناپایدارکننده منجر به ذوب را دور بزنند.
پیش از این، طلا تا دمایی معادل ۱.۴ تا ۲.۱ برابر Tm فوق‌داغ شده بود. مدل‌های نظری می‌گفتند که این مقدار نزدیک به حد مجاز است؛ جاییکه آنتروپی جامد از مایع بیشتر می‌شود و اصول ترمودینامیک را نقض می‌کند اما مشکلی اساسی در مطالعات پیشین، اتکا به روش‌های غیرمستقیم برای اندازه‌گیری دمای یون‌ها بود. این مطالعه با استفاده از پراکندگی بی‌کشسان پرتو ایکس، توزیع سرعت یون‌ها را مستقیماً اندازه‌گیری کرد و به دمای شبکه بلوری به‌صورت مستقل از مدل دست یافت.
گرمایش شدید بدون از دست‌رفتن ساختار
فیلم‌های طلایی به ضخامت تنها ۵۰ نانومتر با پالس‌های لیزری فوق‌سریع تابیده شدند. در نرخ گرمایشی ۳.۵ × ۱۰¹⁵ K/s، دما به ۱۳۸۰۰ ± ۳۲۰۰ کلوین رسید (حدود ۱۰ برابر Tm). در نرخ ۶ × ۱۰¹⁵ K/s، دما به ۱۹۰۰۰ ± ۴۰۰۰ کلوین رسید (حدود ۱۴ برابر Tm).
در هر دو حالت، نمونه‌ها برای بیش از دو پیکوثانیه در حالت بلوری باقی ماندند—مدتی بسیار طولانی‌تر از زمانی که معمولاً برای ذوب‌شدن کافی است. ساختار شبکه‌ای با استفاده از پراش پرتو ایکس در زاویه گسترده رصد شد. حضور حلقه‌های دیبی-شِرر (۲۰۰) و (۱۱۱) نشان‌دهنده نظم بلندمدت در ساختار بود.
این قله‌ها به‌تدریج با افزایش نوسان اتم‌ها ضعیف شدند، با این حال، در طول بازه مشاهده سه پیکوثانیه‌ای، هیچ‌یک ناپدید نشدند، که به‌وضوح نشان می‌دهد طلا ذوب نشده بود. جالب اینکه موقعیت قله‌های براگ ثابت باقی ماند، یعنی انبساط یا تبخیر شدیدی رخ نداده است. این پایداری برخلاف پیش‌بینی‌های مدل‌های آنتروپی است که انتظار فروپاشی سریع را دارند.
چگونه اندازه‌گیری شد؟
پژوهشگران از روش «بسط چندفوتونی» برای مدل‌سازی دقیق پراکندگی در زمان گرمایش استفاده کردند. آنها از برازش پروفایل‌های Voigt بر داده‌های تجربی با استفاده از «برآورد حداکثر درست‌نمایی» استفاده کردند. ویژگی‌های حرارتی الکترون نیز مدل‌سازی شد تا یکنواخت بودن گرمایش تأیید شود. رسانایی حرارتی الکترونی بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ وات بر متر کلوین و ظرفیت گرمایی حدود ۰.۳ تا ۰.۵ ژول بر گرم کلوین تخمین زده شد. زمان انتشار گرما در نمونه ۵۰ نانومتری حدود ۰.۵ پیکوثانیه بود؛ این شرایط از گرمایش تقریباً آنی و یکنواخت الکترون‌ها در کل نمونه پشتیبانی می‌کرد.
شدت لیزر نیز با استفاده از دیافراگم (آیریس) قبل از لنز نهایی تنظیم شد، که امکان کنترل انرژی ورودی را فراهم کرد. فقط فوتون‌های پراکنده پرتو ایکس که با باندهای شدت مشخص مطابقت داشتند، در تحلیل دما لحاظ شدند. اندازه‌گیری‌های دما و ساختار به‌طور همزمان با نرم‌افزار Dioptas برای پردازش الگوهای پراش پرتو ایکس انجام شد.
بازنگری در مفهوم فاجعه آنتروپی
مهم‌ترین نتیجه این مطالعه، جلوگیری از رسیدن به نقطه فرضی آنتروپی است که تصور می‌شد در آن آنتروپی جامد از مایع بیشتر می‌شود—که آن را سقف ترمودینامیکی جامدات می‌دانستند اما با گرمایش فوق‌سریع که مانع انبساط می‌شود، پژوهشگران نشان دادند که طلا می‌تواند حتی فراتر از این نقطه پایدار باقی بماند. آنتروپی فاز جامد در تمام دماهای به‌دست‌آمده، پایین‌تر از آنتروپی فاز مایع باقی ماند. این یافته نشان می‌دهد که فاجعه آنتروپی ممکن است سقف واقعی نباشد—حداقل نه در شرایط گرمایش فوق‌سریع.
از آنجاکه ظرفیت گرمایی جامد در این شرایط با ثابت‌های جهانی کنترل می‌شود (و ویژگی‌های مایع هنوز به‌خوبی شناخته‌نشده‌اند)، نقطه تلاقی منحنی‌های آنتروپی همچنان نامشخص باقی مانده است. انحرافات ظرفیت گرمایی در سیستم‌های ناپایدار و فیلم‌های نازک ممکن است تعادل آنتروپی را تغییر دهند.
آیا هیچ محدودیتی برای فوق‌داغ‌شدن وجود ندارد؟
یافته‌ها نشان می‌دهد که اگر گرمایش به اندازه کافی سریع باشد، مرز پیش‌بینی‌شده برای فوق‌داغ‌شدن را می‌توان با فاصله زیادی پشت سر گذاشت—و حتی ممکن است چنین مرزی اصلاً وجود نداشته باشد. ساختار بلوری طلا دماهایی را تاب آورد که براساس ترمودینامیک کلاسیک، نباید برای یک جامد ممکن باشند.
پیامدهای این تحقیق فقط محدود به طلا نیست. درک بهتر پایداری مواد در شرایط انرژی بالا و گرمایش سریع می‌تواند به طراحی موادی مقاوم‌تر برای محیط‌های بسیار سخت، مانند تحقیقات همجوشی هسته‌ای، پدیده‌های اخترفیزیکی یا الکترونیک فوق‌سریع کمک کند.
منبع: azom