Сверхтекучий слой толщиной в один атом обнаружен в жидком олове и свинце

Исследователи Пермского Политеха (ПНИПУ) совершили прорыв в физике жидкостей, впервые в мире экспериментально доказав существование сверхтекучего слоя на границе расплава. Это открытие решает загадку, мучившую ученых почти 80 лет, и объясняет, почему тяжелые металлы в сплавах оседают в тысячи раз быстрее, чем предсказывает классическая физика.

Сверхтекучий слой толщиной в один атом обнаружен в жидком олове и свинце

В чем суть загадки?

Согласно законам диффузии, атомы в жидкости движутся хаотично, сталкиваясь и меняя направление. Этот процесс постоянно перемешивает раствор. Расчеты показывают, что под действием гравитации атом свинца в жидком олове за час должен сместиться на расстояние, меньшее диаметра самого атома. Однако реальные эксперименты демонстрируют совершенно иную картину: за пару часов тяжелый компонент опускается на сантиметры. Расхождение между теорией и практикой составляет сотни миллиардов раз.

Ученые последовательно отвергли все классические объяснения:

  • Оседание отдельных атомов: слишком медленно (потребовались бы десятилетия).
  • Конвекция (течение жидкости): в узких трубках стенки тормозят потоки, но расслоение все равно происходит.
  • Тонкая пленка на стенках: слой слишком тонкий и медленный.
  • Термодиффузия: в случае олова и свинца этот механизм должен был бы поднимать тяжелый металл вверх, а не опускать вниз.
Сверхтекучий слой толщиной в один атом обнаружен в жидком олове и свинце

Новое объяснение: сверхтекучий пристеночный слой

Команда ученых ПНИПУ выдвинула гипотезу, что поток, вызывающий разделение, возникает не в объеме жидкости, а на границе со стенкой сосуда. Там формируется уникальный слой толщиной в один атом, в котором частицы скользят без трения, проявляя свойства сверхтекучести. Обычно это квантовое явление наблюдают при экстремально низких температурах (как у жидкого гелия), но здесь оно достигается за счет высокой плотности материала.

Внутри расплава существуют кластеры — крупные группировки атомов. Ученые предполагают, что кластеры почти не перемещаются по высоте, а лишь растут или растворяются. Атомы же из сверхтекучего слоя движутся с огромной скоростью (около 1 м/с). Тяжелые атомы свинца скользят по этому слою вниз, а легкие атомы олова — вверх. Основная масса вещества при этом движется в противоположном направлении, но с колоссально меньшей скоростью.

Эксперименты с U-образными трубками и ячейками из пробирок полностью подтвердили теорию: перенос вещества шел именно по стенкам, а не через объем.

Почему это важно?

Понимание этого механизма имеет колоссальное значение для промышленности, где контроль однородности сплавов критически важен:

  • Авиация: неоднородность деталей турбинных двигателей может привести к внутренним трещинам и разрушению при нагреве.
  • Электроника: при пайке микросхем расслоение сплава олова и свинца делает контакты ненадежными, что ведет к перегреву и выходу техники из строя.
  • Атомная энергетика: нарушение теплоотвода из-за расслоения жидкометаллических теплоносителей создает риск аварийных ситуаций.
  • Ювелирное дело: золотые сплавы могут терять внешний вид и прочность из-за неравномерного распределения компонентов.

Теперь, зная о существовании сверхтекучего слоя, инженеры смогут управлять процессом: либо подавлять расслоение для создания идеально однородных деталей, либо использовать его для очистки металлов от примесей.

Читайте также

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд