Ученые разработали инновационный метод изучения метаморфоза жидкостей под отрицательным давлением путем инкапсуляции их в оптические волокна. Эта технология обеспечивает более простой способ измерения давления с помощью световых и звуковых волн, открывая путь к новым открытиям в термодинамике и химических реакциях. Как физическая величина давление существует в различных областях: атмосферное давление в метеорологии, кровяное давление в медицине и даже в скороварках и продуктах в вакуумной упаковке в повседневной жизни.
Художественное впечатление стеклянного капилляра, наполненного жидкостью. Инкапсулируя жидкости в оптические волокна, ученые наблюдали и измеряли эффект отрицательного давления, используя звуковые волны в качестве датчиков. Источник изображения: ©LongHuyDao
Давление определяется как сила, приходящаяся на единицу площади, нормальную к поверхности твердого тела, жидкости или газа. В зависимости от направления силы в закрытой системе в крайних случаях чрезвычайно высокое давление может привести к взрывным реакциям, а чрезвычайно низкое давление в закрытой системе может привести к взрыву самой системы.
Под избыточным давлением всегда подразумевается, что газ или жидкость сжимают стенки контейнера изнутри, как воздушный шар, расширяющийся при добавлении большего количества воздуха. Независимо от высокого или низкого давления, при нормальных обстоятельствах числовое значение давления всегда положительное.
Однако жидкости обладают особым свойством. Они могут существовать в определенном переменном состоянии, соответствующем значению отрицательного давления. В этом изменчивом состоянии даже небольшие внешние воздействия могут привести к коллапсу системы в то или иное состояние. Представьте себе, что вы сидите на вершине американских горок: легкое прикосновение в одну или другую сторону заставляет вас падать с трассы.
В текущем исследовании ученые изучают метаморфозу жидкостей под отрицательным давлением. С этой целью исследовательская группа объединила два уникальных метода измерения различных термодинамических состояний в исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics.
Во-первых, крошечные (нанолитры) количества жидкости инкапсулируются в полностью закрытое оптическое волокно, что позволяет ему иметь как высокое положительное, так и отрицательное давление. Впоследствии, благодаря особому взаимодействию световых и звуковых волн в жидкости, можно чувствительно измерить влияние давления и температуры в различных состояниях жидкости. Звуковые волны действуют как датчики, которые обнаруживают значения отрицательного давления, исследуя это уникальное состояние материи с высокой точностью и детальным пространственным разрешением.
(Слева направо) Руководитель исследовательской группы Биргит Стиллер с Андреасом Гейленом и Александрой Попп в лаборатории. Источник изображения: ©ФлорианРиттер,MPL
Эффекты отрицательного давления и методы измерения
Эффект отрицательного давления на жидкость можно представить следующим образом: По законам термодинамики объем жидкости будет уменьшаться, но на жидкость будет действовать сила сцепления в стекловолоконном капилляре, подобно тому, как капли воды прилипают к вашим пальцам. Это приводит к тому, что жидкость «растягивается». Жидкость разрывается, как растягивается резиновая лента.
Измерение этого экзотического состояния часто требует сложного оборудования и повышенных мер безопасности. Работа под высоким давлением — опасная работа, особенно с токсичными жидкостями. Сероуглерод, используемый исследователями в этом исследовании, является одной из таких жидкостей. Из-за этой сложности предыдущие измерительные устройства, использовавшиеся для создания и определения отрицательного давления, требовали большого объема лабораторного пространства и даже вызывали нарушения в работе систем в установившемся режиме.
Используя метод, описанный в этой статье, исследователи разработали крошечное простое устройство, которое может производить очень точные измерения давления с помощью световых и звуковых волн. Оптическое волокно, используемое для этой цели, имеет толщину человеческого волоса.
Комментарии исследователей
«Когда новые методы измерения сочетаются с новыми платформами, некоторые явления, которые трудно исследовать обычными и устоявшимися методами, становятся удивительно доступными. Я нахожу это очень интересным», — сказала д-р Биргит Стиллер, руководитель исследовательской группы квантовой фотоакустики в MPL. Исследовательская группа использовала звуковые волны, которые могут быть очень чувствительными для обнаружения изменений температуры, давления и деформации вдоль оптического волокна. Кроме того, можно проводить измерения с пространственным разрешением, то есть звуковые волны могут предоставить изображение того, что происходит внутри волокна, с разрешением сантиметрового уровня по его длине.
«Наш метод позволяет нам глубже понять термодинамические зависимости этой уникальной волоконно-оптической системы», — сказала Александра Попп, один из двух ведущих авторов статьи.
Другой ведущий автор, Андреас Гейлен, добавил: «Измерения выявили некоторые удивительные эффекты. Наблюдения за состоянием отрицательного давления становятся очень ясными, если посмотреть на частоту звуковых волн».
Возможные применения и заключительные замечания
Сочетание фотоакустических измерений с плотно запечатанными капиллярными волокнами может привести к новым открытиям в области мониторинга материалов, которые иначе трудно изучить, и химических реакций токсичных жидкостей в микрореакторах. Оно способно проникнуть в новые и недоступные области термодинамики.
Профессор Маркус Шмидт из IPHT Йены и доктор Марио Хемниц из IPHT Йены подчеркивают: «Эта новая платформа полностью герметичных волокон с жидкой сердцевиной обеспечивает доступ к высоким давлениям и другим термодинамическим средам. Очень важно изучать или даже дополнительно настраивать нелинейные оптические явления в этом волокне».
Эти явления могут раскрыть ранее неизведанные потенциальные новые свойства уникального термодинамического состояния материала.
Биргит Стиллер заключает: «Наши исследовательские группы в Эрлангене и Йене уникально сотрудничают, используя свой опыт, чтобы получить новое понимание термодинамических процессов и состояний на крошечной и простой в использовании оптической платформе».