Nuove fasi nei fluidi supercritici
Le proprietà dei fluidi nel regime supercritico sono in gran parte ancora sconosciute nonostante gli sforzi della ricerca in questo campo nell'ultimo secolo. Questa regione è sopra il punto critico, il punto termodinamico in pressione (Pc) e temperatura (Tc) sopra i quali si pensava che non esistesse distinzione tra fase gassosa e liquida. La ricerca sui fluidi in simili "condizioni estreme" è stata spesso ostacolata da difficoltà tecniche incontrate in esperimenti che utilizzavano celle ad incudini di diamante o impulsi laser per generare altissime pressioni. Recentemente è stato possibile riuscire a ottenere importanti informazioni per mezzo di un esperimento di diffusione inelastica dei raggi X su Argon supercritico (aT=4xTce P>100xPc) in combinazione con simulazioni di dinamica molecolare, che hanno permesso di osservare distinti cambiamenti nella dispersione di onde acustiche nanometriche in base alle condizioni termodinamiche. Ad alte pressioni è stato osservato un aumento della velocità del suono in funzione della lunghezza d'onda dal limite continuo (a lunghezze d'onda molto grandi) in cui le onde acustiche si propagano in modo adiabatico, fino alle lunghezze d'onda più corte, cioè quando diventano simili alle distanze tra le particelle. La sua origine può essere individuata nella presenza di almeno un meccanismo di rilassamento che interagisce con le dinamiche di fluttuazione della densità indotte dalla propagazione delle onde acustiche. Questa caratteristica dinamica rappresenta la cosiddetta dispersione positiva del suono, osservata in tutti i liquidi, e può essere considerata un'impronta digitale dello stato liquido. In figura 1 è riportata la quantità di dispersione positiva in funzione della pressione, derivata da un esperimento di diffusione inelastica dei raggi X e da simulazioni di dinamica molecolare. Si osserva una diminuzione netta da circa il 13% fino al 4% con la diminuzione della pressione con un incrocio a circa 0.4 GPa. Questa decisa diminuzione è dovuta alla scomparsa del processo di rilassamento strutturale e marca la transizione da un comportamento collettivo tipo-liquido ad uno di particella singola tipo-gas. Questo fatto porta ad un collegamento tra dinamica e termodina, contraddicendo la nozione apertamente diffusa di una fase fluida supercritica omogenea. Inoltre, il valore di 0.4 GPa corrisponde alla estrapolazione della cosiddetta linea di Widom, che costituisce il luogo dei massimi del calore specifico a pressione costante Cp (vedi figura 2) nella fase fluida supercritica. Abbiamo quindi proposto la identificazione della linea di Widom con la linea che divide le regioni tipo-liquido e tipo-gas nella regione del fluido supercritico del diagramma di fase, similmente ed in continuazione alla linea di coesistenza tra liquido e vapore che separa le regioni del liquido e del gas nella regione sottocritica del diagramma di fase. Questa scoperta getta nuova luce e ridefinisce il concetto di fluido supercritico in termodinamica. Questa nuova relazione, appena scoperta, tra termodinamica ed il comportamento viscoelastico dei fluidi in condizioni estreme potrà portare ad avanzamenti significativi della ricerca in aree come la fisica dei sistemi planetari, tecniche di solvazione per nanotecnologie, e in geofisica per la conferma di modelli sismici basati sulle proprietà termofisiche dei materiali.
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Anno: 2010
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