Ультратонкие листы золота нагрели лазером до температуры, в 14 раз превышающей точку плавления, и они остались твердыми. Такой перегрев значительно превосходит теоретический предел — и заставляет задуматься, существует ли он вообще.
Перегрев — распространенное явление, при котором твердое тело может нагреваться выше температуры плавления, а жидкость — выше точки кипения, не меняя своего состояния. Например, воду в микроволновке можно разогреть выше 100 °C, и она не будет кипеть, если чашка достаточно гладкая и неподвижная. Но стоит ее чуть потревожить — и жидкость тут же бурно вскипит.
Считается, что для твердых тел существует верхний предел перегрева примерно в три раза выше стандартной температуры плавления в кельвинах. Он называется энтропийной катастрофой — точкой, в которой энтропия (часто определяемая как мера беспорядка в системе) твердого состояния становится выше, чем у жидкости. Если вещество остается твердым выше этой температуры, это нарушает второй закон термодинамики, согласно которому энтропия в большинстве систем не может уменьшаться со временем.
Американские физики провели эксперимент, доказавший возможность перегрева золота намного выше точки энтропийной катастрофы. Его результаты опубликованы в Nature.
Мощный лазер направили на 50-нанометровый лист золота и включили на 45 квадриллионных долей секунды. Температуру образца измеряли сравнительно новым методом — анализируя изменение частоты отраженных рентгеновских лучей и вычисляя дополнительную энергию, полученную ими от золота.
«Мы измерили эти температуры и были поражены: "Неужели оно действительно может быть таким горячим и не плавиться?"» — вспоминает физик Томас Уайт из Университета Невады в Рино.
Убедившись, что в измерениях нет ошибки, команда пересмотрела теорию и поняла, что сверхбыстрый нагрев золота позволяет энтропии твердого состояния оставаться ниже, чем у потенциальной жидкой формы, что и позволило превысить предсказанный температурный предел.
«Важно подчеркнуть, что мы не нарушили второй закон термодинамики», — указывает Уайт.
По его словам, истинный предел перегрева остается открытым вопросом. «Возможно, в 1980-х мы думали, что нашли ответ в виде этого предела перегрева, но теперь я считаю, что вопрос снова открыт. Насколько сильно можно нагреть вещество, прежде чем оно расплавится?» — говорит исследователь.
Измерение нагрева твердых тел с помощью рентгеновских лучей может быть полезно в изучении воздействия экстремальных температур и давления, например, в ядрах планет, на материалы в сверхкороткие промежутки времени, заметил Сэм Винко из Оксфордского университета: «У нас пока нет надежного способа измерять температуру твердых тел на таких коротких временных масштабах».
Также интересно, применимо ли это к другим твердым телам, помимо золота, и существует ли вообще верхний предел нагрева перед плавлением.
«Самое интересное здесь — можно ли обойти практически все законы термодинамики, просто действуя настолько быстро, что они перестают работать в привычном понимании?» — заключил Винко.