Científicos de la ESRF, junto con equipos de CEA y CNRS / Sorbonne Université, han encontrado la prueba de una transición de líquido a líquido en el azufre y de un nuevo tipo de punto crítico que pone fin a esta transición. Su trabajo se publica en Naturaleza .

En todas partes del entorno, las transiciones de fase ocurren constantemente. Los ejemplos más conocidos de transiciones de fase son cuando el agua cambia de estado de sólido a líquido o de gas a líquido a 0 grados C y 100 grados C, respectivamente, a presión atmosférica. A pesar de la prevalencia de estos eventos en la naturaleza, los científicos aún no comprenden completamente cómo se producen estas transiciones a nivel microscópico.

Entre los muchos casos de transiciones de fase, los que implican un calor latente y un cambio discontinuo de densidad se denominan de primer orden. Las transiciones de primer orden son muy comunes en el estado sólido, e incluir, por ejemplo, el que va del grafito al diamante, y la transición de semiconductor a metal en silicio.

Sin embargo, Durante años nadie pensó que podría haber algún tipo de transición de primer orden que separara dos fases líquidas de la misma sustancia pura e isotrópica. Con el nuevo milenio las cosas cambiaron. A Naturaleza artículo del año 2000 de Y. Katayama et al., del sincrotrón japonés Spring-8, dio evidencia de una transición de líquido a líquido experimentada en fósforo.

"Fue un gran avance, ya que cambió la forma en que la comunidad científica percibía el estado líquido, "explica Mohamed Mezouar, científico a cargo de la línea de luz ID27 en la ESRF y autor correspondiente de la nueva publicación. "Hoy mostramos la segunda evidencia directa de tal transición en azufre líquido, ", agrega Mezouar." Elegimos el azufre porque el azufre y el fósforo exhiben similitudes importantes cuando se someten a altas presiones y temperaturas, "explica." Además, Sabía que era un buen candidato porque ya mostraba una interesante variedad de formas sólidas, ya sea molecular o polimérico, cristalino o amorfo. "El azufre es también uno de los elementos más importantes, se utiliza en muchas aplicaciones, como neumáticos de goma, ácido sulfúrico, fertilizantes, etc.

Si los científicos no han podido encontrar pruebas de otra transición líquido-líquido en ningún otro líquido puro y estable desde 2000, es porque este tipo de transformación es escasa y aún poco comprendida. Los cálculos han predicho que ocurrirán transiciones en hidrógeno líquido, nitrógeno y dióxido de carbono pero en condiciones de presión y temperatura muy altas, todavía es difícil de sondear. Los experimentos de la publicación actual se llevaron a cabo en ID27, donde el equipo ESRF, junto con científicos de la CEA y la CNRS / Sorbonne Université de París, aplicó presión al azufre líquido y observó in situ cómo evolucionaba a temperaturas de hasta 1000 grados centígrados y presiones de hasta 20 kilobares. "Los experimentos fueron desafiantes porque tuvimos que confinar azufre líquido y realizar in situ mediciones cuantitativas de rayos X de alta precisión, "explica Laura Henry, Doctor. estudiante en ese momento y primer autor.

Primera evidencia de un punto crítico líquido-líquido:la singularidad de la transición

Después de encontrar la evidencia de la transición líquido-líquido, al equipo le esperaba una sorpresa. Fréderic Datchi, El director de investigación del CNRS en "Sorbonne Université" recuerda:"Completamente inesperado, allí estaba, encontramos lo que conocemos como un 'punto crítico, 'una singularidad donde las propiedades físicas cambian drásticamente ". En el punto crítico, el cambio de densidad entre los dos líquidos desaparece, así se puede ir continuamente de una fase a la otra. Por muy cerca que esté, el sistema 'vacila' entre los dos estados, produciendo grandes fluctuaciones de densidad, un fenómeno conocido como opalescencia crítica. Líquidos supercríticos, es decir, los líquidos presurizados y calentados por encima del punto crítico "normal" líquido-gas se utilizan mucho en la industria química porque son muy buenos disolventes. Por otra parte, el punto crítico que puso fin a una transición líquido-líquido era hasta la fecha solo un objeto teórico. Su existencia en agua líquida se conjeturó para explicar sus muchas anomalías físicas, y buscado activamente en experimentos desde la década de 1990, hasta ahora sin éxito.

Esto constituye así la primera evidencia experimental de la existencia de un punto crítico líquido-líquido en cualquier sistema hasta el momento. Como se encuentra en un dominio de presión-temperatura accesible por experimento, brinda una oportunidad única para el estudio de los fenómenos críticos asociados a los LLT y, por lo tanto, tiene un valor general más allá del sistema específico de azufre.

EBS:llevar las transiciones de fase al siguiente nivel

Con la fuente extremadamente brillante, la nueva generación de máquina sincrotrón de la ESRF, Los experimentos sobre la transición líquido-líquido se profundizarán:el aumento en el flujo de fotones y la coherencia permitirá a los científicos rastrear fenómenos muy rápidos, y por tanto observar las fluctuaciones alrededor del punto crítico.

"En el sentido más amplio, esta investigación puede abrir puertas para comprender la complejidad del estado líquido de otros sistemas importantes como el agua, "concluye Mezouar.