طلا وقتی فراتر از نقطه ذوب خود گرم می‌شود، رفتاری عجیب نشان می‌دهد
وقتی صحبت از دمایی نزدیک به سطح خورشید باشد، انتظار داریم هر چیزی فوراً به حالت مایع یا حتی پلاسما تبدیل شود. بااین‌حال، طلا در آزمایشی تازه، از این قاعده پیروی نکرد. گروهی از دانشمندان ورقه‌های نازک طلا را تا دمای حدود ۱۸٬۷۰۰ درجه سلسیوس گرم کردند؛ اما ساختار جامد این فلز گران‌بها برای لحظه‌ای کوتاه اما حیاتی، دست‌نخورده باقی ماند.
به‌گزارش ساینس‌آلرت، مطالعه‌ای تازه نتیجه گرفته است که طلا حتی زمانی‌که برای لحظه‌ای کوتاه تا دمایی بسیار بالاتر از حد تصور داغ می‌شود، همچنان به‌صورت جامد باقی می‌ماند. این لحظه‌ی گذرا اما معنادار، فیزیکدانان را وادار کرد تا نگاه تازه‌ای به مفهومی بنیادین مثل نقطه ذوب بیندازند و شاید همه چیز را از نو بنویسند.
در پژوهش، تیمی بین‌المللی از دانشمندان با استفاده از پالس‌های لیزری بسیار سریع و پرقدرت، قطعات نازکی از طلا را به مرزی رساندند که به آن «فاجعه آنتروپی» می‌گویند؛ نقطه‌ای که در آن ماده دیگر نمی‌تواند در برابر ذوب‌شدن مقاومت کند. این آستانه شبیه نقطه ذوب است، اما برای شرایطی که فیزیک دیگر به شکل معمول عمل نمی‌کند.
طلا تا دمای حدود ۱۸٬۷۰۰ درجه سلسیوس گرم شد و ساختار جامد خود را برای بیش از دو تریلیونیم ثانیه حفظ کرد
پدیده‌ی فیزیکی «فوق‌گرمایش» زمانی رخ می‌دهد که ماده آن‌قدر سریع گرم می‌شود که اتم‌ها فرصت نکنند به حالت مایع گذر کنند. به‌بیان دیگر، بلورهای جامد می‌توانند حتی پس از عبور از دمای ذوب نیز برای مدت بسیار کوتاهی پابرجا بمانند. براساس درک رایج، فاجعه آنتروپی معمولاً در دمایی سه برابر نقطه ذوب اتفاق می‌افتد. اما دانشمندان با بهره‌گیری از روشی جدید برای اندازه‌گیری انرژی پرتو ایکس بازتابی و محاسبه دقیق گرمای جذب‌شده، دریافتند طلا می‌تواند تا ۱۴ برابر این حد گرم شود و همچنان به مایع تبدیل نشود.
یافته‌های تازه هرچند شگفت‌انگیز هستند، با قوانین ترمودینامیک تضاد ندارند. در واقع، واکنش‌ها آن‌قدر سریع رخ می‌دهند که فرصت اجرای کامل قوانین فراهم نمی‌شود. اتم‌های طلا در لحظه‌ای کوتاه، فضایی برای حرکت ندارند و همین امر باعث می‌شود انرژی گرمایی تخلیه شود، پیش از آنکه ساختار ماده فروبپاشد.
در جریان آزمایش‌ها، طلا تا دمای باورنکردنی حدود ۱۸٬۷۰۰ درجه سلسیوس گرم شد و توانست ساختار جامد خود را برای بیش از دو تریلیونیم ثانیه حفظ کند. این زمان هرچند بسیار کوتاه، برای بازنگری در مدل‌های فیزیکی موجود بسیار کلیدی است.
بیشتر بخوانید
در مقاله‌ی منتشرشده آمده است که اندازه‌گیری در پژوهش نه‌تنها از مرزهای پیش‌بینی‌شده‌ی فاجعه آنتروپی فراتر رفت، بلکه نشان داد آستانه فوق‌گرمایش جامدات بسیار بالاتر از چیزی است که تا امروز تصور می‌شد. چنین یافته‌ای درک ما را از پایداری ماده در شرایط سخت به‌چالش می‌کشد.
از نگاه فیزیکدانان، یافته‌های پژوهش افق‌های تازه‌ای را در دنیای فیزیک می‌گشاید. احتمال دارد که برخی جامدات دست‌کم در شرایط فوق‌گرمایش و در بازه‌های زمانی فوق‌العاده کوتاه، اصولاً نقطه ذوب مشخصی نداشته باشند.
پژوهشگران در ادامه‌ی مقاله تأکید می‌کنند اگر ماده‌ای به‌اندازه کافی سریع گرم شود، می‌توان از حد تصورشده برای فوق‌گرمایش به‌راحتی عبور کرد. این موضوع پایه‌های درک رایج از ذوب‌شدن را تغییر می‌دهد.
کاربردهای عملی کشف تازه نیز گسترده است. در بسیاری از پدیده‌های پرشتاب حرارتی، از جمله برخورد سیارک‌ها در فضا یا عملکرد رآکتورهای هسته‌ای در زمین، گرما به‌شکلی انفجاری ایجاد می‌شود و شناخت بهتر رفتار مواد در چنین شرایطی اهمیت بالایی دارد.
برنامه‌ی آینده تیم پژوهش، بررسی این موضوع است که آیا سایر جامدات نیز رفتاری مشابه طلا دارند یا خیر. همچنین، آن‌ها قصد دارند با بازتعریف فاجعه آنتروپی، نمودارهای جدیدی برای مرزهای پایداری جامدات طراحی کنند.
توماس وایت، فیزیک‌دان در دانشگاه نوادا، می‌گوید در دهه ۱۹۸۰ تصور می‌شد مسئله‌ی فوق‌گرمایش حل شده، اما حالا یافته‌های تازه دوباره این پرسش را مطرح کرده است: تا چه اندازه می‌توان دمای یک ماده را بالا برد، پیش از آنکه ذوب شود؟
پژوهش در نشریه نیچر منتشر شده است.
