Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия. Работа опубликована в The Journal of Chemical Physics. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ), кратко о нем рассказывается в пресс-релизе РНФ.
Теплоемкость (поглощаемое количество теплоты при малом изменении температуры) вещества зависит от того, каким образом его частицы взаимодействуют друг с другом. Если связи между частицами сильные, как в кристаллах, то теплоемкость будет одна, если взаимодействие слабое, как в газах, — другая. Авторы статьи исследовали системы, в которых тип связи между частицами зависит от расстояния между ними. Такое взаимодействие встречается в кристаллах, составленных из коллоидных частиц (нерастворимых частиц в растворе) или макромолекул.
«Это могут быть шарики из оксида кварца с нарощенными на них “шубками” из полимеров. Если частицы оксида друг с другом не слипаются, то, когда контакта нет, частицы движутся свободно, а если они контактируют, то начинают упруго отталкиваться. Так и возникают эти силы с ограниченным радиусом действия», – пояснил ведущий научный сотрудник МГТУ имени Н.Э. Баумана Станислав Юрченко.
В подобных системах частицы отталкиваются друг от друга вблизи, но при удалении на некоторое расстояние перестают взаимодействовать, то есть система занимает промежуточное положение между двумя описанными типами кристаллов – взаимодействующих и невзаимодействующих частиц. Интуитивно кажется, что значение теплоемкости должно лежать между двумя значениями для этих типов, но оно может превышать заданную величину.
Рост теплоемкости происходит из-за того, что элементы системы с таким сложным характером взаимодействия постоянно переходят из одного состояния в другое: частицы сближаются и удаляются в процессе теплового движения. Аномалию авторы работы объясняют конкуренцией двух эффектов. Они проявляются, когда частицы почти не взаимодействуют друг с другом, как в кристалле твердых сфер, и когда частицы постоянно находятся в упругом контакте между собой.
Описанный механизм может объяснить и замеченные раньше случаи, когда теплоемкость превышает заданную величину, например, у свинца вблизи температуры плавления и у аргона. В своей работе ученые описали аномалии на основе результатов симуляций и теоретических исследований, экспериментов для его проверки и уточнения пока не проводилось.
Работа важна для лучшего понимания динамики в различных средах, таких как макромолекулярные и коллоидные кристаллы. «Наблюдаемые свойства кристаллов диктуются их динамикой, а она, в свою очередь, определяется взаимодействием между частицами. То, что мы увидели — это новый класс аномалий. Мы надеемся, что это будет полезно тем, кто занимается физикой кристаллов, изучением их динамики и тепловых свойств», — добавил Станислав Юрченко.