东京大学发现单一成分物质的四相共存现象

2016-08-310阅读0

  东京大学2016年8月25日宣布,发现单一成分的物质在特殊条件下可实现4种以上相态的共存。这一成果不仅有助于对热平衡状态下的相态共存做出基础性理解,而且还具有可利用微小热力学扰动来控制多相间相变的特点,因此还有望在利用相变化的功能性材料的开发方面作出贡献。

  

实现Stillinger-Weber模型四相点的参数中的温度―压力相图

  圆点表示三相点,方点表示四相点(图片出自东京大学新闻发布资料)

  在多相共存方面,大家都知道水与冰在0℃下平衡共存的现象。还有就是,水分子中气体、液体、固体三相共存的三相点存在于高温高压范围。多种热力学相态以平衡状态共存的条件,可在化学势能相等的条件下赋予。

  在单一成分的物质中,化学势能只是温度和压力这些热力学变量的函数,根据这一事实,得出了3种以上的相态一般不能在热平衡状态下共存的结论,这就是著名的“吉布斯相律”。但将其作为数学问题考虑的话,作为一种特解,也可以存在容许四相共存的情况,而以前并未有人系统研究过四相点的存在可能性。

  此次,东大的研究人员构思出了一种方法,通过用某一变量使原子间相互作用发生系统性变化,向原来的体系赋予虚拟自由度,提高参数空间的维度,由此来系统性寻找四相点。对于用来描述硅原子运动的Stillinger-Weber势能的各向同性二体相互作用部分,以及用于对独立四面体构造做定向的各向异性三体相互作用部分,通过将两者相比的比率作为新的变量导入体系,制作出了温度、压力及新变量的三维参数空间下的相态图。

  研究人员通过上述方法发现了作为二相共存面相交线的三相共存线,并最终成功找到了三相共存线的相交点,也就是四相点。通过使其势能变量发生变化,便可描述硅、锗、水、碳等的原子的运动,研究人员由此断定新发现的变量值位于锗的附近。共存的四相为液体、β-tin型晶体、金刚石型立方晶(dc)及SC16型晶体。

  在这一四相点的附近,细微变化即会引发相变,而在固体间的相变中,力学性弹性应变有时会阻碍相变。但多相共存在相态组合下存在减轻弹性应变的可能性,显示出了在应用方面的有用性。实际上,最近就有研究人员在三相点附近发现了有望应用于光学开关元件的强关联物质VO2的高级功能。

  要想控制相互作用并不容易,不过,通过使用最近开发的带补片(物性不同的区域)的胶体,以及利用静电相互作用等的比较容易控制的相互作用,即使在实际体系中也有望出现超出吉布斯相律的多相共存可能性。另外,即使在难以到达四相点时,其附近也存在更灵活的相控制的可能性,因此,此次的成果也有望在应用方面带来巨大冲击。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)