Cientistas da Universidade Queen Mary de Londres fizeram duas descobertas sobre o comportamento da “matéria supercrítica” – matéria no ponto crítico onde as diferenças entre líquidos e gases aparentemente desaparecem.
Embora o comportamento da matéria em temperatura e pressão razoavelmente baixas fosse bem entendido, a imagem da matéria em alta temperatura e pressão era borrada. Acima do ponto crítico, as diferenças entre líquidos e gases aparentemente desaparecem, e a matéria supercrítica se torna quente, densa e homogênea.
Os pesquisadores acreditavam que ainda havia uma nova física a ser descoberta sobre esse assunto no estado supercrítico.
Ao aplicar dois parâmetros – a capacidade de calor e o comprimento ao longo do qual as ondas podem se propagar no sistema, eles fizeram duas descobertas importantes. Primeiro, eles descobriram que existe um ponto de inversão fixo entre os dois, onde a matéria muda suas propriedades físicas – de líquido para gás. Eles também descobriram que esse ponto de inversão é notavelmente próximo em todos os sistemas estudados, nos dizendo que a matéria supercrítica é intrigantemente simples e passível de nova compreensão.
Além da compreensão fundamental dos estados da matéria e do diagrama de transição de fase, a compreensão da matéria supercrítica tem muitas aplicações práticas; hidrogênio e hélio são supercríticos em planetas gigantes gasosos como Júpiter e Saturno e, portanto, governam suas propriedades físicas. Em aplicações ambientais verdes, os fluidos supercríticos também provaram ser muito eficientes na destruição de resíduos perigosos, mas os engenheiros cada vez mais querem orientação da teoria para melhorar a eficiência dos processos supercríticos.
Kostya Trachenko, professor de física da Universidade Queen Mary de Londres, disse: “A universalidade afirmada da matéria supercrítica abre caminho para uma nova imagem fisicamente transparente da matéria em condições extremas. física, bem como compreender e prever propriedades supercríticas em aplicações ambientais verdes, astronomia e outras áreas.
“Esta jornada está em andamento e provavelmente verá desenvolvimentos empolgantes no futuro. Por exemplo, ela levanta a questão de se o ponto de inversão fixo está relacionado a transições de fase convencionais de ordem superior? a teoria da transição de fase, ou é necessário algo novo e bem diferente? À medida que ultrapassamos os limites do que é conhecido, podemos identificar essas novas questões interessantes e começar a procurar respostas.”
Metodologia
O principal problema com a compreensão da matéria supercrítica era que as teorias de gases, líquidos e sólidos não eram aplicáveis. Não ficou claro quais parâmetros físicos revelariam as propriedades mais salientes do estado supercrítico.
Armados com a compreensão anterior de líquidos a temperatura e pressão mais baixas, os pesquisadores usaram dois parâmetros para descrever a matéria supercrítica.
1. O primeiro parâmetro é a propriedade comumente usada: esta é a capacidade calorífica que mostra a eficiência com que o sistema absorve calor e contém informações essenciais sobre os graus de liberdade do sistema.
2. O segundo parâmetro é menos comum: este é o comprimento sobre o qual as ondas podem se propagar no sistema. Este comprimento governa o espaço de fase disponível para fônons. Quando esse comprimento atinge seu menor valor possível e se torna igual à separação interatômica, algo realmente interessante acontece.
Os cientistas descobriram que, em termos desses dois parâmetros, a matéria em condições extremas de alta pressão e temperatura se torna notavelmente universal.
Essa universalidade é dupla. Primeiro, o gráfico da capacidade de calor versus comprimento de propagação da onda tem um ponto de inversão fixo impressionante que corresponde à transição entre dois estados supercríticos fisicamente diferentes: estado líquido e estado gasoso. Ao cruzar este ponto de inversão, a matéria supercrítica altera suas principais propriedades físicas. O ponto de inversão serve como uma maneira inequívoca de separar os dois estados – algo que tem ocupado as mentes dos cientistas há algum tempo.
Em segundo lugar, a localização deste ponto de inversão é notavelmente próxima em todos os tipos de sistemas estudados. Esta segunda universalidade é notavelmente diferente de todos os outros pontos de transição conhecidos. Por exemplo, dois desses pontos de transição – o ponto triplo onde todos os três estados da matéria (líquido, gás, sólido) coexistem e o ponto crítico onde termina a linha de ebulição gás-líquido – são diferentes em sistemas diferentes. Por outro lado, o mesmo ponto de inversão em todos os sistemas em condições supercríticas extremas nos diz que a matéria supercrítica é intrigantemente simples.
Descobrir e provar essa simplicidade é o principal resultado do artigo, “Dupla universalidade da transição no estado supercrítico”, publicado na Science Advances.
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