Как золото выдержало температуру, превышающую собственную точку плавления в 14 раз, почему классическая модель оказалась неполной и какие перспективы это открывает?
В науке порой укореняются представления, приравненные к фундаментальным законам — скажем, гравитации или второму закону термодинамики. Одной из таких несомненных «истин» было убеждение, что твёрдое тело нельзя нагреть выше трёхкратной точки плавления, иначе его кристаллическая решётка мгновенно утратит порядок и перейдёт в жидкое состояние.
На протяжении четырёх десятилетий этот предел, именуемый «энтропийной катастрофой», использовали в научных статьях, на лекциях, в моделях ультрабыстрого плавления и даже при расчётах термодинамики планетных недр. При этом никто не проводил прямых измерений температуры ионов в сверхбыстро нагретом кристалле.
И вот недавно, благодаря сочетанию новейших рентгеновских лазеров и фемтосекундных оптических импульсов, такое измерение стало реальностью. Оказалось: даже при ионной температуре, в 14 раз превышающей точку плавления, золото сохраняет кристаллический порядок и остаётся в твёрдом состоянии.
Происхождение «энтропийной катастрофы»
В конце 1980-х годов Фехт и Джонсон разработали элегантный теоретический аргумент: сравнив энтропию твёрдой и жидкой фаз, они показали, что при определённой температуре беспорядок в кристалле сравняется с беспорядком в жидкости. С их расчётов следовало: около 3 Tₘ кристалл перестаёт быть устойчивым — «энтропийный парадокс» обрекает его на мгновенное таяние.
Однако эта концепция опиралась лишь на термодинамику равновесного процесса и не имела экспериментального подтверждения для сверхбыстрой тепловой загрузки.
Как впервые измерили температуру атомов
Технология сочетает:
- только 50 нм золотой плёнки;
- оптический импульс длительностью 45 фс, ускоряющий нагрев быстрее теплового расширения;
- ультрачистый рентгеновский луч с шириной линии ≈ 32 meV;
- спектрометр с разрешением около 45–50 meV для фиксации малейших доплеровских сдвигов.
Метод основан на неупругом рассеянии рентген-лучей: по доплеровскому сдвигу фотонов определяется скорость атомов, а значит — их реальная температура без аппроксимаций и подстройки под модель.
Ключевые параметры и результаты эксперимента
| Параметр | Значение / комментарий |
|---|---|
| Толщина золотой плёнки | 50 нм |
| Длительность оптического импульса | 45 фс |
| Скорость нагрева | 3,5×10¹⁵ – 6×10¹⁵ K/s |
| Ширина линии X-ray probe | ≈ 32 meV |
| Разрешение спектрометра | ≈ 45–50 meV |
| Температура ионов (низкая мощность) | 13 800 ± 3 200 K (~10 Tₘ) |
| Температура ионов (высокая мощность) | 19 000 ± 4 000 K (~14 Tₘ) |
| Состояние кристалла | Порядок сохранялся 2–3 пс; дифракционные пики на месте |
| Кол-во колебательных циклов решётки | >10 в течение 2–3 пс |
| Метод измерения | Неупругое рассеяние рентгеновских лучей |
Поведение золота при 19 000 K
При ионной температуре около 19 000 K кристалл золота не расплавился: рентгеновская дифракция показала, что атомы оставались на своих местах в решётке на протяжении 2–3 пс, совершая более десяти колебательных циклов.
Решётка не успевала расшириться, а дифракционные пики сохраняли точное положение, демонстрируя устойчивость порядка при ультрабыстром нагреве, когда классическая термодинамика «не успевает включиться». Золото в таких условиях ведёт себя как новая фаза материи — атомы мчатся, но решётка словно «замерла во времени».
Почему классическая теория дала трещину
Классические расчёты описывают медленный, равновесный процесс, в котором:
- решётка успевает расшириться;
- электронная и ионная системы приходят к термодинамическому равновесию;
- энтропия растёт преимущественно за счёт увеличения объёма.
В ультрабыстрых режимах:
- решётка не успевает деформироваться;
- электронная теплоёмкость остаётся почти неизменной;
- состояние твёрдой и жидкой фазы различается главным образом геометрией, а не энтропией;
- классическая термодинамика не успевает проявить своё действие.
Перспективы в материаловедении
Ранее предполагалось: при достижении определённой плотности энергии металл обязательно расплавится. Теперь ясно, что можно разогреть материал до экстремальных температур без образования жидкой фазы. Это открывает:
- твёрдые плазмы с сохранением кристаллической решётки при температурах, достаточных для испарения;
- ультрагорячие кристаллические решётки с усиленными нелинейными фононными связями;
- новые методы микрообработки без образования капиллярных дефектов;
- технологии структурирования поверхностей с максимальной точностью.
Влияние на геофизику и астрофизику
В ядрах гигантских планет давление достигает миллионов атмосфер, а температура — десятков тысяч градусов. Ранее считалось, что при сочетании высоких P–T твердые фазы неизбежно распадаются. Результаты для золота позволяют предположить: в недрах суперземель железо, кремний и магний могут сохранять упорядоченную структуру в неожиданных фазах.
Прямые измерения как новый стандарт
- проверка моделей ультрабыстрого плавления на объективных данных;
- изучение твёрдых плазм с разными температурами электронов и ионов;
- мониторинг распада кристаллов при импульсах 10–20 фс;
- поиск новых фаз материи, недоступных при равновесном нагреве.
Есть ли фундаментальный предел?
Пока неясно. Похоже, что до момента теплового расширения энтропия твёрдого тела остаётся ниже, чем у жидкости. Возможно, в будущем мы обнаружим твёрдые фазы при ещё более экстремальных температурах и в других металлах.
Заключение
Исследование не опровергло термодинамические законы, а расширило их применимость: теория медленных равновесных процессов уступает место новому пониманию ультрабыстрых явлений. Горизонт современной термодинамики расширился, и за ним открываются неизведанные области.
