Пермские ученые объяснили «аномальное поведение» жидких металлов

Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) впервые в мире экспериментально доказали, что в сплаве существует сверхтекучий слой толщиной в один атом, по которому частицы металла скользят без трения. Открытие поможет управлять качеством авиационных деталей, пайки микросхем и безопасностью ядерных реакторов.

По законам физики, если смешать жидкое олово и свинец, тяжелый свинец должен оседать очень медленно: за час его атом сместится вниз на расстояние меньше его собственного диаметра. Однако в опытах он за пару часов опускается на сантиметры. Это противоречие ученые не могли объяснить в течение 80 лет.

Выдвигалось несколько предположений: следствие конвекции; формирование тонких пленок из атомов свинца; действие градиента температур и другие. Исследователи ПНИПУ предложили новое объяснение этих процессов. По мнению авторов, поток, вызывающий разделение компонентов, возникает не в объеме жидкости, а на границе ее со стенкой сосуда. Там формируется подвижный слой толщиной в один атом, в котором частицы скользят без трения — то есть проявляют сверхтекучесть. Обычно это свойство наблюдают при экстремально низких температурах (как у жидкого гелия), но здесь оно достигается высокой плотности материала и переходу в особое квантовое состояние.

Внутри расплава существуют кластеры — крупные группировки атомов одного металла размером в десятки тысяч атомов. Раньше считалось, что расслоение происходит за счет оседания таких кластеров, однако это не объясняет быструю динамику (часы вместо десятилетий). Более того, если бы кластеры оседали, возникшая разность концентраций тут же перемешивалась бы обратно обычной диффузией.

Авторы исследования предполагают, что кластеры почти не перемещаются по высоте, а лишь растут или растворяются, при этом между ними и вдоль стенок пролегает сверхтекучий слой. Атомы в нем движутся с огромной скоростью — около метра в секунду, что в миллиарды раз быстрее классических расчетов. Механизм разделения прост: тяжелые атомы свинца скользят по этому слою вниз, легкие атомы олова — вверх. Основная же масса вещества движется внутри объема, формируя медленную диффузию, при этом ее скорость в миллиарды раз меньше из-за множества траекторий между кластерами.

«Возникает вопрос: если сверхтекучесть возможна и в тяжелых расплавах, почему исторически ее открыли только у гелия? Дело в ином механизме. При охлаждении жидкого гелия до определенной температуры становится энергетически выгодно сохранять фрагменты одинакового размера, предположительно, кластеры из 8 атомов, а не допускать полного застывания. В результате гелий приобретает структуру с прямыми каналами — наподобие кладки из кубиков, что резко облегчает перемещение сверхтекучего потока. Это связано с квантовыми свойствами гелия. В сплавах же свинца и олова сверхтекучесть возникает по другому механизму — по пристенному слою, но ее проявления аналогичны», — объяснил один из авторов работы, доцент кафедры химических технологий ПНИПУ, кандидат химических наук Николай Углев.

Свою гипотезу ученые ПНИПУ проверили на практике. Всего провели более 20 принципиально различающихся экспериментов, и каждый раз результат подтверждал гипотезу о существовании в жидких сплавах особого, очень быстрого механизма переноса — сверхтекучего слоя.

«В быту мы этого не замечаем, потому что металлы обычно быстро застывают, но для промышленности расслоение — очень важный процесс. При производстве авиационных двигателей оно может привести к тому, что готовая деталь станет неоднородной: одни участки получатся тяжелее, другие легче, и при нагреве они будут расширяться по-разному, отчего деталь может треснуть изнутри. Для вращающихся частей, например, дисков турбин, это особенно опасно. В электронике сплав олова и свинца используют для пайки микросхем, и если в жидком состоянии он расслаивается, контакт получается ненадежным — он может перегреться и отвалиться. В атомных реакторах жидкие металлы отводят тепло, но при расслоении в верхней части образуется слой с другой теплопроводностью, что создаёт риск перегрева и аварии. Даже в ювелирном деле золотые сплавы с добавками серебра или меди при плавке могут расслаиваться, из-за чего украшения могут потерять внешний вид», — рассказал Николай Углев.

Пермским исследователям впервые в мире удалось экспериментально измерить скорость сверхбыстрого потока (около метра в секунду) и дать единое объяснение загадке, которую ученые не могли разгадать почти 80 лет. Но словам авторов, зная о новом механизме, инженеры смогут управлять процессом: подавлять расслоение, получая идеально однородные детали, или использовать его для очистки металлов от примесей. Но главное — это новое понимание того, как устроены жидкости вообще, и жидкие металлы в частности.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации