Исследователи Пермского Политеха предложили объяснение загадочного поведения жидких металлических сплавов, которое не удавалось понять почти 80 лет. Ученые впервые экспериментально показали, что на границе расплава и стенки сосуда может существовать сверхтекучий слой толщиной всего в один атом, по которому частицы движутся практически без трения. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Проблема возникла еще в 1946 году, когда академик Константин Бунин изучал жидкий сплав олова и висмута. Несмотря на расчеты, тяжелый металл оседал значительно быстрее ожидаемого. Позже аналогичный эффект обнаружили и в сплавах олова со свинцом.
С точки зрения классической физики это выглядит невозможным. В жидкостях атомы постоянно хаотично движутся и перемешиваются благодаря диффузии. Расчеты показывают, что атом свинца в жидком олове под действием силы тяжести за час должен смещаться меньше, чем на собственный диаметр. Однако в экспериментах тяжелый металл за то же время перемещался на сантиметры.
За десятилетия ученые предлагали разные объяснения — конвекцию, оседание кластеров атомов или движение тонких пленок вдоль стенок сосуда, — но ни одна гипотеза полностью не объясняла наблюдаемую скорость расслоения.
Исследователи ПНИПУ предположили, что быстрый перенос вещества происходит не в объеме расплава, а в сверхтонком слое у стенки сосуда. По их версии, там формируется особое квантовое состояние, в котором атомы могут двигаться почти без сопротивления.
«В сплавах свинца и олова сверхтекучесть возникает за счет пристенного слоя, но ее проявления аналогичны тем, что наблюдаются у жидкого гелия», — объяснил доцент кафедры химических технологий ПНИПУ Николай Углев.
По оценкам ученых, скорость движения атомов в таком слое может достигать примерно метра в секунду — это в миллиарды раз быстрее классических прогнозов. Тяжелые атомы свинца при этом «скользят» вниз вдоль стенок, а более легкие атомы олова — вверх.
Для проверки гипотезы исследователи провели серию экспериментов с U-образными трубками и сосудами разной формы. Результаты показали, что перенос вещества действительно идет преимущественно вдоль стенок, а не через обычную диффузию в объеме жидкости. Всего ученые выполнили более 20 различных экспериментов.
По словам авторов, открытие важно не только для фундаментальной физики, но и для промышленности. Расслоение жидких сплавов может влиять на качество авиационных деталей, надежность пайки в электронике и безопасность систем охлаждения в ядерных реакторах.
Исследователи считают, что понимание нового механизма позволит в будущем управлять разделением компонентов в расплавах — либо предотвращать его для получения однородных материалов, либо использовать для очистки металлов от примесей.
Ранее российские ученые научились заранее рассчитывать прочность дорог.