Сульфид мышьяка образует три разных жидкости

Внешний вид (вверху) и кристаллическая структура (внизу) реальгара при нормальных условиях (изображение с сайта en.wikipedia.org)

Эксперименты российских и японских физиков показали, что одно и то же вещество — сульфид мышьяка — при разных давлениях образует три разных жидкости: молекулярную, полимерную и металлическую.

Известная со школьной скамьи тройка агрегатных состояний «твердое тело—жидкость—газ» даже близко не отражает то богатство фаз (то есть вариантов микроскопического устройства), которые может иметь одно и то же вещество при разных давлениях и температурах. Для многих веществ совершено обычна ситуация, когда они при обычном давлении имеют одну кристаллическую решетку, а при давлении в десятки тысяч атмосфер вдруг перестраивают ее в другую, более компактную. Происходящие при этом изменения могут быть даже заметны невооруженным глазом; один из самых красивых примеров такого превращения — твердый кислород, который при давлении выше 80 тысяч атмосфер приобретает кроваво-красный цвет.

Если вернуться к нормальному давлению и теперь нагреть вещество, то оно расплавится. Возникает естественный вопрос — что будет происходить с этим расплавом, если при высокой температуре постепенно повышать давление? Будет ли он оставаться «просто жидкостью», или же будут происходить превращения между разными вариантами этой жидкости?

В последние годы этот вопрос активно изучается с самых разных сторон. Он интересен как экспериментаторам (чем именно отличаются эти жидкости, могут ли они сосуществовать друг с другом, встречаются ли такие ситуации в природе), так и теоретикам (как научиться теоретически предсказывать наличие нескольких жидких фаз, как они зависят от межмолекулярных сил). Многочисленные эксперименты последних лет действительно показали, что у некоторых простых жидкостей (фосфор, сера, висмут, некоторые оксиды и галогениды) существует переход между «легкой» и «тяжелой» (то есть более плотной) формами жидкости. На сегодняшний момент таких веществ набралось уже свыше десятка.

И вот взят новый рубеж. В недавней работе российских исследователей из Института физики высоких давлений (ИФВД) в Троицке и их японских коллег из Центра синхротронного излучения SPring-8, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описывается вещество-рекордсмен — сульфид мышьяка, у которого есть три разных жидкости!

Сульфид мышьяка AsS при обычных давлениях образует минерал реальгар. Кристаллическая решетка у него необычная — она образована не атомами, а целыми молекулами As₄S₄ (см. рисунок). При повышении давления кристаллический реальгар перестраивает решетку и превращается в хорошо известную фазу AsS(II). Кроме этого, авторы работы обнаружили, что в узком диапазоне давлений и температур (около 28 тысяч атмосфер и 500°C) возникает третья кристаллическая разновидность, AsS(III). Подробные данные по этим кристаллическим фазам авторы обещают представить в будущей публикации, поскольку данная статья была посвящена изучению расплава AsS.

Расплав реальгара при невысоких давлениях — это молекулярная жидкость с умеренной вязкостью. Однако сжав эту жидкость давлением около 20 тысяч атмосфер, физики заставили ее полимеризоваться, из-за чего многократно возросла ее вязкость. Структурные изменения легко обнаружимы с помощью рассеяния на малые углы синхротронного излучения, получаемого на SPring-8. Наконец, при еще более высоком давлении, около 50 тысяч атмосфер, расплав превращается в жидкость с очень малой вязкостью. Более того, опыты по пропусканию электрического тока показали, что в этот момент сильно, в сотни раз, возрастает электрическая проводимость расплава. Иными словами, расплав становится металлической жидкостью.

Схематический вид фазовой диаграммы сульфида мышьяка. Серые линии показывают примерные границы фаз (рисунок автора заметки)

Обнаружив эти три формы жидкости, физики заинтересовались: что с ними произойдет при резком охлаждении, но постоянном давлении? Оказалось, что обычная жидкость при низком давлении возвращалась в обычный поликристаллический минерал реальгар, металлическая жидкость при высоком давлении кристаллизовалась в AsS(II), а вот вязкая полимерная жидкость при резком остывании не успевала кристаллизоваться и застывала в стеклообразном состоянии.

Эти данные наводят на очень интересные размышления. Авторы справедливо обращают внимание на некую симметричность получившейся диаграммы состояний (она называется фазовой диаграммой вещества): последовательность жидких фаз выше линии плавления примерно повторяет последовательность кристаллических фаз ниже нее. По мнению авторов, это совсем не случайное совпадение; более того, сотрудники троицкого ИФВД уже неоднократно высказывали мысль о том, что такая ситуация должна встречаться у многих веществ и, может быть, даже является новым универсальным законом природы.

Авторы, впрочем, замечают, что свои выводы о вязкости расплава они получали на основании косвенных данных — по тому, успевает или нет кристаллизоваться вещество при резком охлаждении. Для подтверждения этих выводов требуются новые эксперименты с прямым измерением вязкости расплава. Ну а теоретикам тем временем предстоит придумать теорию, которая бы описывала вещество с несколькими жидкими фазами.

Источник: V. V. Brazhkin, Y. Katayama, M. V. Kondrin, T. Hattori, A. G. Lyapin, H. Saitoh, AsS Melt Under Pressure: One Substance, Three Liquids // Phys. Rev. Lett. 100, 145701 (8 April 2008).

Игорь Иванов

Последние новости: Физика, Химия, Наука в России, Игорь Иванов

3 февраля Исследована гидродинамика процесса письма

27 декабря Самые маленькие насекомые обладают уникальной нервной системой

22 ноября Расшифрована структура каталитического центра нитрогеназы — фермента, расщепляющего атмосферный азот

16 ноября Критическая температура сверхпроводника может быть увеличена магнитным полем

31 октября Хромосомные перестройки не мешают бурозубкам свободно скрещиваться

23 сентября Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

19 сентября Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение

1 сентября Концепция плаща-невидимки может помочь двигаться в жидкости без сопротивления

17 августа Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения

11 августа Поверхности нормальных и раковых клеток — фракталы разной размерности

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):