极端高温和高压条件下的物质非常简单且具有普遍性

诸平

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5183

据英国伦敦大学玛丽皇后学院（Queen Mary University of London）2022年8月12日提供的消息，物质在极端高温高压的条件下是非常简单和普遍的（Matter at extreme conditions of very high temperature and pressure turns out to be remarkably simple and universal）。伦敦大学玛丽皇后学院的科学家们对“超临界物质（supercritical matter）”的行为有两项发现，在临界点，液体和气体之间的差异似乎消失了。相关研究结果于2022年8月12日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Cillian Cockrell, Kostya Trachenko. Double universality of the transition in the supercritical state, Science Advances, 2022, 8(32). DOI: 10.1126/sciadv.abq5183. Published 12 Aug 2022. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5183

虽然人们对物质在较低温度和压力下的行为有了很好的理解，但在高温和压力下物质的图像却很模糊。在临界点以上，液体和气体之间的差异似乎消失了，超临界物质被认为变得炽热、致密和均匀。

研究人员认为，在超临界状态下，这一物质还有新的物理学有待发现。

通过应用热容（ heat capacity）和波在系统中传播的长度这两个参数，他们取得了两个重要发现。首先，他们发现两者之间有一个固定的转化点（inversion point），物质的物理性质从液态变为气态。他们还发现，在所研究的所有系统中，这个转化点都非常接近，这告诉我们，超临界物质非常简单，易于获得新的理解。

除了基本了解物质的状态和相变图外，了解超临界物质还有许多实际应用；氢和氦在木星和土星等气态巨行星中是超临界的，因此控制着它们的物理性质。在绿色环境应用中，超临界流体（supercritical fluids）也被证明在销毁危险废物方面非常有效，但工程师们越来越需要理论指导，以提高超临界过程的效率。

伦敦大学玛丽皇后学院物理学教授克斯特亚·特拉琴科（Kostya Trachenko）表示：“超临界物质的普遍性为极端条件下物质的物理透明新图景开辟了一条道路。从基础物理学的角度，以及理解和预测超临界特性在绿色环境应用、天文学和其他领域的应用来看，这是一个令人兴奋的前景。”

这一旅程正在进行中，未来可能会有令人兴奋的发展。例如，它引发了一个问题，即固定转化点是否与传统的高阶相变有关？它可以用相变理论中的现有思想来描述，还是需要一些新的和完全不同的东西？当我们突破已知的界限时，我们可以发现这些令人兴奋的新问题并开始寻找答案。"

研究方法（Methodology）

理解超临界物质的主要问题是气体、液体和固体的理论不适用。目前尚不清楚哪些物理参数可以揭示超临界状态最显著的特性。

有了对较低温度和压力下液体的早期理解，研究人员使用了2个参数来描述超临界物质。

1.第一个参数是常用属性：这就是热容（heat capacity），显示系统吸收热量的效率，并包含有关系统自由度的基本信息。

2.第二个参数不太常见：是波在系统中传播的长度。这个长度决定了声子(phonons)可用的相空间。当这个长度达到它可能的最小值，并且等于原子间的间隔时，发生了一件非常有趣的事情。

科学家们发现，就这两个参数而言，在高压和高温的极端条件(extreme conditions)下，物质变得非常普遍。

这种普遍性是双重的。首先，热容与波传播长度的关系图有一个引人注目的固定转化点，对应于两种物理上不同的超临界状态之间的过渡：类液体状态（liquid-like state）和类气体状态（gas-like state）。当超临界物质越过这个转化点时，它的关键物理性质（key physical properties）发生了变化。转化点是区分这两种状态的一种明确方法，这一点已经占据了科学家们的思想一段时间了。

其次，在所研究的所有类型的系统中，该转化点的位置都非常接近。第二个普遍性与已知的所有其他转变点（transition points）明显不同。例如，其中两个转变点，即所有三种状态（液体、气体、固体）共存的三相点（triple point）和气液沸腾线终点在不同系统中不同的临界点（critical point）。另一方面，在极端超临界条件下，所有系统中的相同转化点告诉我们，超临界物质非常简单的。

揭示和证明这种简单性是发表在《科学进展》上的论文《超临界态转变的双重普遍性》（Double universality of the transition in the supercritical state）的主要结果。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

分子尺度的相界：“原始”液-气转变（Molecular-scale phase boundaries: A 'primitive' liquid-gas transition）

Abstract

Universality aids consistent understanding of physical properties and states of matter where a theory predicts how a property of a phase (solid, liquid, and gas) changes with temperature or pressure. Here, we show that the matter above the critical point has a remarkable double universality. The first universality is the transition between the liquid-like and gas-like states seen in the crossover of the specific heat on the dynamical length with a fixed inversion point. The second universality is the operation of this effect in many supercritical fluids, including N₂, CO₂, Pb, H₂O, and Ar. Despite different structure and chemical bonding, the transition has the same fixed inversion point deep in the supercritical state. This advances our understanding of the supercritical state previously considered to be a featureless area on the phase diagram and a theoretical guide for improved deployment of supercritical fluids in green and environmental applications.