นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาและอิตาลีได้ระบุจุดวิกฤตที่สองในแบบจำลองทางทฤษฎีที่เหมือนจริงสองแบบ การค้นพบนี้ ซึ่งใช้วิธีการคำนวณที่ล้ำสมัยและสนับสนุนสมมติฐานแรกที่หยิบยกมาเมื่อกว่า 25 ปีที่แล้ว ชี้ให้เห็นว่าน้ำมีอยู่ในระยะของเหลวที่แตกต่างกันสองขั้นตอน ซึ่งหนึ่งในนั้นจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าและมีโครงสร้างมากกว่าอีกขั้นตอนหนึ่ง บทบาทสำคัญของน้ำในชีวิต
อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วทำให้ลืมได้ง่ายว่า
ผิดปกติเพียงใด ต่างจากของเหลวอื่นๆ ส่วนใหญ่ น้ำจะมีความหนาแน่นที่ความดันบรรยากาศมากกว่าน้ำแข็งที่ก่อตัวเมื่อน้ำแข็งแข็งตัว นอกจากนี้ยังแสดงการขยายตัวทางความร้อนเป็นลบ (หมายความว่าจะขยายตัวเมื่อระบายความร้อนแทนที่จะหดตัว) จะมีความหนืดน้อยลงเมื่อบีบอัดและมีระยะผลึกไม่ต่ำกว่า 17 เฟส
แต่รายการประหลาดไม่ได้จบเพียงแค่นั้น ในปี 1976 ออสเตน แองเจลและโรบิน สปีดดี้พบว่าพฤติกรรมของน้ำกลายเป็นสิ่งผิดปกติมากขึ้นไปอีกเมื่อมันถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของมันในขณะที่ยังคงอยู่ในรูปของเหลว ซึ่งเป็นสถานะ “ซูเปอร์คูล” ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติในเมฆบนที่สูง จากนั้นในปี 1992 การศึกษาทางคอมพิวเตอร์โดย Peter Poole และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยบอสตันในสหรัฐอเมริกา เสนอแนะความเป็นไปได้ที่ยั่วเย้าให้มากยิ่งขึ้น ตามการจำลอง น้ำ supercooled ผ่านการเปลี่ยนแปลงเฟสเพิ่มเติมระหว่างสองเฟสของเหลว โดยมีจุดวิกฤตของเหลวและของเหลว (LLCP) เกิดขึ้นที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ 2000 เท่าที่ระดับน้ำทะเล
Pablo Debenedettiศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี
และชีวภาพที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าวว่า “การมีอยู่ของจุดวิกฤตเป็นคำอธิบายง่ายๆ เกี่ยวกับความแปลกประหลาดของน้ำ ด้วยเหตุผลนี้ เขาเสริมว่า “การค้นพบจุดวิกฤตนั้นเทียบเท่ากับการหาคำอธิบายที่ดีและเรียบง่ายสำหรับหลายๆ อย่างที่ทำให้น้ำแปลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำ”
กำลังหาหลักฐานที่ชัดเจนตั้งแต่ปี 1992 นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมหลักฐานมากมายที่สนับสนุนการมีอยู่ของ LLCP และการเปลี่ยนแปลงเฟสของเหลวและของเหลวที่เกี่ยวข้อง (LLPT ) อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีใครสร้างหลักฐานการทดลองขั้นสุดท้าย และการวิจัยเชิงคำนวณถูกขัดขวางโดยความยากลำบากอย่างมากในการคำนวณพฤติกรรมของน้ำที่อุณหภูมิที่เย็นจัดอย่างลึกล้ำ อันที่จริง การศึกษาเชิงคำนวณก่อนหน้านี้พบเพียงหลักฐานของ LLPT ในรูปแบบที่เรียกว่า “ST2” ของน้ำ ซึ่งไม่สามารถจับภาพโครงสร้างทางเรขาคณิตที่เป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุได้อย่างเต็มที่ (ซึ่งมีลักษณะเป็นจัตุรมุข โดยมีโมเลกุลของน้ำสี่ตัวที่กระจุกอยู่ที่ประมาณหนึ่งในห้าตรงกลาง ).
Debenedetti และเพื่อนร่วมงาน Gül Zerze ที่ PrincetonและFrancesco Sciortino จาก Sapienza University of Romeตอนนี้ได้สังเกตพฤติกรรม LLCP ในน้ำสองแบบคือ TIP4P/2005 และ TIP4P/Ice ที่สมจริงกว่ามาก ในการทำเช่นนี้ พวกเขาทำการจำลองไดนามิกของโมเลกุลที่กินเวลานานหลายสิบไมโครวินาที – เป็นเวลานาน เนื่องจากมีการจำลองโมเลกุลจำนวนมาก (300 ในการทดลองหนึ่งครั้ง) และใช้ผลลัพธ์เพื่อรวบรวมสถิติเกี่ยวกับความหนาแน่นของน้ำของเหลวและพลังงานทางอุณหพลศาสตร์ของน้ำ ความผันผวน จากนั้นจึงใช้กลศาสตร์ทางสถิติเพื่อทำนายพฤติกรรมของความหนาแน่นและความผันผวนของพลังงานในช่วงอุณหภูมิและความดันต่างๆ ในที่สุด พวกมันก็ปรับสถิติของความผันผวนให้เข้ากับการทำนายทางทฤษฎีที่ทำโดยใช้แบบจำลอง 3D Ising ของสนามแม่เหล็ก
ซึ่งสามารถใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมของของไหล
ใกล้กับจุดวิกฤตของไอ-ของเหลวทั่วไปจากความพอดีที่จำกัดนี้ นักวิจัยได้ค่าอุณหภูมิและความดันวิกฤตของน้ำ พวกเขายังคำนวณปริมาณที่เรียกว่าปัจจัยโครงสร้างสถิต ซึ่งเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของของไหลแปรผันตามฟังก์ชันของระยะห่างจากโมเลกุลตรงกลาง ซึ่งสิ่งที่บันทึกของเดเบเนเดตตีสามารถวัดได้ด้วยการทดลอง เช่น การกระเจิงด้วยรังสีเอกซ์
ทีมพรินซ์ตันดึงข้อมูลสองปริมาณจากข้อมูลนี้: ความสามารถในการอัดตัวของอุณหภูมิความร้อนของน้ำ ซึ่งวัดปริมาณความหนาแน่นของน้ำที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความดัน และความยาวสหสัมพันธ์ ซึ่งวัดระยะทางที่ความผันผวนของความหนาแน่นมีความสัมพันธ์กัน ปริมาณทั้งสองกลายเป็นอนันต์ที่จุดวิกฤต และการเติบโตอย่างรวดเร็วของค่าตัวเลขที่นำไปสู่จุดนั้นคาดว่าจะเป็นไปตามนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำ Debenedetti อธิบาย
“เราสังเกตเห็นการเติบโตที่ชัดเจนมากในการอัดตัวและความยาวสหสัมพันธ์สำหรับแบบจำลองน้ำทั้งสองแบบที่เราศึกษา” เขากล่าว จากรูปแบบของการเติบโตนี้ เขาและเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถหาจุดวิกฤตที่สองที่สมมุติฐานไว้ที่ประมาณ 170 K ในแบบจำลองหนึ่ง และ 190 K ในอีกรูปแบบหนึ่ง
ค่าคงที่Debenedetti กล่าวว่าผลลัพธ์ของการจำลองนั้นสอดคล้องกับความผันผวนของความหนาแน่นที่เกิดขึ้นในทุกระดับความยาวใกล้กับจุดวิกฤต พฤติกรรมดังกล่าวเป็นลักษณะเฉพาะของ “คลาสความเป็นสากล” ของ 3D Ising โดยที่คลาสความเป็นสากลคือการรวบรวมแบบจำลอง (หรือระบบการทดลองจริง) ที่แสดงพฤติกรรมที่ไม่แปรผันของสเกลเดียวกันใกล้กับจุดวิกฤต เนื่องจากพฤติกรรมของของไหลใกล้กับจุดวิกฤตไอ-ของเหลวธรรมดาของพวกมันแสดงความคล้ายคลึงกันกับแบบจำลอง 3D Ising ของสนามแม่เหล็ก การเติบโตของความยาวสหสัมพันธ์ใกล้กับจุดวิกฤตของของเหลวและของเหลวใหม่นี้จึงควรเป็นไปตามสมการทางคณิตศาสตร์เดียวกัน นั่นคือ กฎกำลังที่มี เลขชี้กำลังสากลเหมือนกัน “ตอนนี้เราได้สังเกตพฤติกรรมนี้ใกล้กับจุดวิกฤตของของเหลวและของเหลวในแบบจำลองน้ำ TIP4P/2005 และ TIP4P/น้ำแข็ง” เขากล่าวโลกฟิสิกส์
Credit : indragostiti.info iufc252.com iufc252live.com iustinabazu.com jogosdecorridaonline.net
