حتماً فکر می‌کنید اگه خیلی به یک فلز مثل طلا حرارت بدیم، خیلی زود آب میشه. مگه نه؟ خب، دانشمندها حسابی همه رو غافلگیر کردن! چون اومدن با کمک لیزرهای فوق‌العاده سریع و پرانرژی، طلایی رو تا ۱۴ برابر دمای ذوبش داغ کردن ولی همچنان طلای جامد، جامد موند و اصلاً ذوب نشد!
ماجرا تو مجله معتبر Nature منتشر شده و جالبه بدونید خیلی از تئوری‌های قدیمی درباره اینکه جامد چجوری در دماهای بالا ثابت می‌مونه رو زیر و رو کرده. تا حالا نمی‌شد دقیق بفهمن دمای دقیقِ موادی که خیلی سریع و زیاد حرارت می‌گیرن، چقدره. منظور از “warm dense matter” هم همین موادی هستن که چگالشون زیاده و در دماهای عجیب و غریب قرار می‌گیرن؛ مثلاً پلاسمایی که دور خورشید هست یا هسته سیارات.
یکی از نویسنده‌ها، باب نَگلِر (Bob Nagler)، از آزمایشگاه ملی SLAC متعلق به وزارت انرژی آمریکا میگه: “ما روش‌های خوبی برای اندازه‌گیری چگالی و فشار این مواد داریم، ولی اندازه‌گیری دماشون همیشه یه جور حدس و گمانه!” چون دماهاشون خیلی بالا میره و عمرشونم خیلی کمه.
حالا قراره بفهمید چیکار کردن: تیم تحقیقاتی اومده با لیزرهای X-ray فوق‌العاده سریع (هر پالس فقط ۴۵ فمتوثانیه یعنی ۴۵ هزار تریلیونیم ثانیه)، یه لایه نازک از طلا رو حرارت دادن. همزمان با داغ شدن، اتم‌های طلا شروع می‌کنن به ویبره زدن با فرکانس خاص؛ بعد با یه پالس دوم لیزر، تعداد و نحوه لرزش این اتم‌ها رو اندازه گرفتن و تونستن دقیقاً دمای اتم‌ها رو حساب کنن. این روش حسابی خفن و جدیده!
و اما نتیجه: آقای توماس وایت (Thomas White)، استاد فیزیک دانشگاه نوادا گفت که نتیجه به شدت بالاتر از انتظارشون بوده. طلای جامد مورد آزمایش تا ۱۹,۰۰۰ کلوین (یعنی حدود ۳۳,۷۰۰ درجه فارنهایت، یا چیزی نزدیک به ۱۸,۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) داغ شد! حالا نقطه ذوب طبیعی طلا فقط ۱,۰۶۴ درجه سانتی‌گراده! یعنی ۱۴ برابرش! خودش گفته انتظار داشت طلا قبل از ذوب شدن یه کم داغ شه، ولی ۱۴ برابر؟ نه دیگه!
شاید اسم “superheating” به گوشتون خورده باشه. معنیش میشه سوفرگرمایش؛ یعنی یک جسم رو بالاتر از دمای معمولِ ذوب یا جوششش داغ کنی ولی همچنان تغییر حالت نده! یه مثال ساده‌ش رو توی ماکروویو دیدید: بعضی وقت‌ها آب رو توی یه لیوان خیلی صاف می‌ریزید و میذارید تو ماکروویو، می‌تونید آب رو بیشتر از ۱۰۰ درجه گرم کنید بدون اینکه بجوشه (چون جایی برای تشکیل حباب نیست). اما فقط کافی یه تکون کوچیکش بدید، یهو همش می‌جوشه و فوران میکنه! به این حالت ناپایدار “metastable state” یا حالت شبه‌پایدار هم می‌گن.
حالا برسیم به تئوری قدیمی‌ها: در دهه ۱۹۸۰ فیزیکدان‌ها گفته بودن که جامدها حداکثر تا ۳ برابر دمای ذوبشون می‌تونن سوفرگرم بشن، بیشتر از اون می‌رسیم به چیزی به اسم “entropy catastrophe” (فاجعه آنتروپی). آنتروپی یعنی میزان بی‌نظمی، و قانون دوم ترمودینامیک میگه آنتروپی باید همیشه افزایش پیدا کنه. اگه جامد منظم‌تر از مایع باشه ولی آنتروپیش بیشتر باشه، یه تناقض بزرگ پیش میاد و از نظر علمی نشدنیه.
اما حالا دانشمندها دارن نشون می‌دن که اگه سرعت داغ کردن به‌شدت بالا باشه (در حد یک تریلیونیم ثانیه!)، مواد حتی تا بالاتر از این محدودیت‌ها داغ می‌شن ولی باز هم جامد می‌مونن. یعنی فاجعه آنتروپی رو دور می‌زنن!
توماس وایت هم تاکید کرده که “قانون دوم ترمودینامیک رو زیر پا نذاشتیم! فقط نشون دادیم اگه خیلی سریع حرارت بدید، این فاجعه‌های نظری رو میشه دور زد.”
راستی، اگه به شیمی و جدول تناوبی علاقه دارید یا چندتا عنصر بلد هستید، بد نیست یه سری به کوییز (آزمون آنلاین) اسامی عناصر بزنین و خودتون رو تست کنین! (سرچ کنید: “periodic table quiz”)
در آخر، بعضی مقالات جالب دیگه هم هست که پیشنهاد میشه ببینید:
- ساخت آلیاژ مس فوق‌العاده مقاوم که حتی از فولاد هم قوی‌تره و تا دمای ۱۵۰۰ فارنهایت رو تحمل میکنه.
- آتیش‌بازی عجیب با ترکیب مایعات غیرقابل ترکیب!
- و سوال معروف: میشه فلزات دیگه رو به طلا تبدیل کرد؟
خلاصه ماجرای امروز: دانشمندها نشون دادن طبیعت هنوز کلی سورپرایز برامون داره و علم، حتی قوانینی که مطمئن بهشون بودیم رو هم گاهی به چالش می‌کشه. اگه به فیزیک و شیمی علاقه دارین، همچنان منتظر کشفیات باورنکردنی باشید!
منبع: +
