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

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

ИИ OpenAI заявил о решении одной из семи задач тысячелетия

ИИ OpenAI заявил о решении одной из семи задач тысячелетия

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

Два частных спутника сблизились на расстояние всего 200 метров на орбите

Два частных спутника сблизились на расстояние всего 200 метров на орбите

В США создали квантовый датчик, потребляющий всего 5 милливатт

В США создали квантовый датчик, потребляющий всего 5 милливатт

Солнце могло поглотить суперземлю в несколько раз массивнее Земли

Солнце могло поглотить суперземлю в несколько раз массивнее Земли

Открыт новый вид льда, способный объяснить тайны Нептуна и Урана

Открыт новый вид льда, способный объяснить тайны Нептуна и Урана