超臨界状態の物質は驚くほど単純である事が判明

masapoco
投稿日
2022年8月16日 12:22
planet volumes awYEQyYdHVE unsplash

ロンドン大学クイーン・メアリー校の研究グループが、「超臨界」状態にある物体(液体と気体の違いが一見してなくなる臨界点にある物質)の挙動について、2つの新たな発見をしたことを報告した。

これまで、適度に低い温度と圧力での物質の挙動はよく理解されていたが、高い温度と圧力での物質の姿は詳しくは分かっていなかった。臨界点以上では、液体と気体の違いがなくなるように見え、超臨界状態の物質は高温・高密度・均質となると考えられていた。

研究者たちは、この超臨界状態の物質について、まだ解明されていない新しい物理があると考えた。

気体、液体、固体の理論が適用できないことが、超臨界物質を理解する上での根本的な障害であった。どのような物理パラメータを用いれば、超臨界状態の最も顕著な特徴を明らかにできるのか、未知のままであった。

今回、科学者たちは、これまでの低温高圧の液体に関する知識をもとに、次の2つのパラメーターを用いて超臨界物質を定義した。

  • 1つ目のパラメータは、一般的によく使われる性質である。熱容量は、系がどれだけ効率よく熱を吸収するかを示し、系の自由度に関する本質的な情報を含んでいる。
  • 2つ目のパラメータは、あまり一般的ではないが、波が系内を伝播する長さである。この長さはフォノンが利用できる相空間を支配する。この長さが最小になり、原子間距離と等しくなったとき、興味深いことが起こる。

この2つのパラメータによって、高温高圧の極限状態にある物質が、驚くほど普遍的なものになるのだ。

結果として、彼らは2つの重要な発見をした。

  1. 物質が液体から気体へとその物理的性質を変える、2つの間の固定された反転点が存在すること。
  2. この反転点は、研究者たちが調べたすべての超臨界系で非常によく似ていた。これには、超臨界水、二酸化炭素、窒素、鉛、アルゴンなど、金属元素から希ガスまで、さまざまな物質が含まれる。

これにより、これまで科学者が考えていたよりも超臨界状態の物質が複雑ではないことが明らかになった。

特に、他のあらゆる既知の転移点とは全く対照的に、この第二の普遍性はユニークだ。例えば、気液の沸騰線が止まる臨界点や、液体・気体・固体の3つの物質状態が共存する三重点といった2つの転移点は、様々な系で区別されている。一方、極端な超臨界状態にあるすべての系で反転点が同じであることは、超臨界物質が魅力的にシンプルであることを示している。

超臨界物質の理解は、物質の状態や相転移図の基礎的な理解だけでなく、多くの実用的な応用につながる。木星や土星などの巨大ガス惑星では水素やヘリウムが超臨界状態であり、その物理的性質を支配している。また、環境分野への応用では、超臨界流体が有害廃棄物の処理に非常に有効であることが証明されているが、超臨界プロセスの効率化のために理論からの指針を求める技術者が増えてきている。

ロンドン大学クイーン・メアリー校の物理学教授であるKostya Trachenko氏は、「超臨界物質の普遍性が証明されたことで、極限状態にある物質について、物理的に透明な新しい絵が描ける道が開かれたのです。これは、基礎物理学の観点からだけでなく、グリーン環境アプリケーションや天文学などの分野における超臨界特性の理解や予測にもつながるエキサイティングな展望です。この旅は現在も進行中で、将来的にはエキサイティングな展開が期待されます。例えば、『固定反転点は従来の高次相転移と関係があるのか?』や、また、相転移理論に関わる既存の考え方で説明できるのか、それとも何か新しい、全く異なるものが必要なのか?』など、既知の境界を押し広げることで、これらの新しいエキサイティングな疑問を特定し、答えを探し始めることができるのです。」と述べている。



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