Každý materiál by měl mít svůj bod tání a bod varu, čili teploty, v nichž přechází z pevné na kapalnou a z kapalné na plynnou fázi. Neplatí to ale vždy. Za určitých okolností lze materiál zahřát na vyšší teplotu, než odpovídá příslušnému bodu a ke změně skupenství nedojde. Například vodu v dostatečně hladké a čisté sklenici v mikrovlnce, kterou lze přehřát na více než 100 stupňů, aniž by se skutečně vařila.
Podle dosavadní fyziky ale existuje pojistka, která udělá přehřívání přítrž. Čím více se takový systém vzdálí od svého bodu tání či varu, tím by měl být náchylnější k takzvané entropické katastrofě (entropic catastrophe). Při určitém impulzu dojde k prudkému přechodu do skupenství, které odpovídá dané teplotě. Může to být explozivní, jako se zmíněnou vodou v mikrovlnce.
Některé experimenty sice naznačovaly, že se lze v „přehřívání“ dostat dál, když se zahřívá dost rychle, ale obecně panoval názor, že entropická katastrofa je nejzazší hranice, a že se nenachází příliš daleko za body tání a varu.
Se zásadním zvratem přichází početný tým fyziků, který vedl Thomas White z University of Nevada v Renu. Roztomilou vědeckou ironií ovšem je, že to původně nebylo jejich cílem. Už téměř desetiletí pracují na metodě, s jejíž pomocí by bylo možné přímo měřit extrémní teploty. To bylo až doposud nesmírně obtížně a výsledné teploty bývaly spíše jen přibližnými odhady.
White a spol. pracovali v laboratořích SLAC. Vzali vzorek zlata o nanometrové tloušťce a žhavili ho laserovým paprskem. Do přehřátého zlata na zařízení Linac Coherent Light Source (LCLS) poté napálili extrémní rentgenové paprsky. Jejich analýzou určili rychlost pohybů atomů zlata a tím pádem i teploty, jaké dosáhlo přehřáté zlato. Převratná metoda měření extrémních teplot funguje.
Ukázalo se, že jejich experiment přehřál zlato na neuvěřitelných 18 726 °C (19 000 K). To je více než 14násobek oficiálního bodu tání (pro hodnoty v kelvinech, bod tání je 1 337 K) a velmi daleko za předpokládanou entropickou katastrofou – aniž by zlato přišlo o svou krystalickou strukturu.
White k tomu se smíchem dodává, že rozhodně neporušili druhý termodynamický zákon. Každopádně ale prokázali, že entropickou katastrofu lze obejít i ve velmi radikálním rozsahu, pokud se dotyčný materiál ohřeje velice rychle. V tomto případě zahřáli zlato během biliontin sekundy. Vědci spekulují, že nesmírně prudké zahřátí zabrání zlatu, aby se zvětšilo, a díky tomu si udrží pevné skupenství. Prý je možné, že pro přehřívání materiálů není žádná jednoznačná horní hranice teploty.
Video: Time Warp: Exploding Water
Literatura
Jak stabilizovat přehřáté plazma ve fúzních reakcích?
Autor: Stanislav Mihulka (13.01.2019)
Nový ultralehký keramický aerogel ustojí extrémní teploty
Autor: Stanislav Mihulka (15.02.2019)
Strukturovaný materiál po 266 letech skoncoval s Leidenfrostovým jevem
Autor: Stanislav Mihulka (01.02.2022)
Diskuze:
A co pak?
Radim Křivánek,2025-07-25 13:10:03
A co se jako stalo po tom rychlém změření?
To jim to stihlo vystydnout bez přeměny na kapalinu?
Re: A co pak?
F M,2025-08-01 12:11:49
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09253-y
White, TG, Griffin, TD, Haden, D. a kol. Přehřívání zlata nad předpokládaný práh entropické katastrofy. Nature 643 , 950–954 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09253-y
"Nepřežije" čas kdy se to přestalo jevit jako pevná látka (braggův pík) "konkrétně při 3,4 ps a 2,95 ps" pro 2 rychlosti ohřevu.
"Je pozoruhodné, že teploty v obou případech překračují navrhovaný limit 3 T-1 (3 násobek teploty tavení) po dobu více než 2 ps . Tato doba je přibližně o řád delší než charakteristická perioda fononových oscilací, a tedy mnohem delší, než je nutné pro homogenní tavení."
"Laserové zahřívání terče způsobuje zvýšení rychlosti iontů, což vede k Dopplerovskému rozšíření spektrálních čar, jak je vidět na červeném rozložení na Obr. 2c . Na rozdíl od experimentů při pokojové teplotě intenzivní zahřívání z každého optického laserového pulzu ničí terč, což vyžaduje čerstvý vzorek zlata pro každé měření. Tento požadavek zpomaluje proces sběru dat a v kombinaci s časovými a materiálovými omezeními terče omezuje počet dosažitelných snímků. Z našich pozorování vyplývá, že přibližně 300 detekovaných fotonů z přibližně 60 snímků postačuje k vytvoření rozumného spektra a souvisejících odhadů chyb."
"V podstatě je křížení dvou entropických křivek (entropie pevné a kapalné látky) účinně eliminováno ultrarychlým intenzivním ohřevem, což naznačuje, že přehřátí nemusí mít horní hranici." Pokud zaplatíte dostatek energie můžete ošidit na pikosekundu tuto jednu stránku entropie?
nano svět
Frantisek Zverina,2025-07-25 11:39:56
Experiment byl proveden ve filmu o tloušťce nanometrů. V takových rozměrech se materiály chovají jinak, než jsme z makrosvěta zvyklí. Můžete mi prosím dát odkaz na princip, kterým byla měřena rychlost kmitání atomů zlata? Děkuji
Re: nano svět
Pavel Kaňkovský,2025-07-26 13:46:44
Měření je popsáno v odkazovaném článku na Nature (který je OA). Oni měřený vzorek osvítí monochromatickým rentgenovým zářením, které je atomy vzorku rozptýleno do jiných směrů a do trochu jiných vlnových délek. Podle rozšíření původně úzkého spektra mohou zjistit rychlost pohybu atomů a tedy i teplotu. Podle úhlů, do kterých se záření rozptyluje, mohou zjistit, zda mají atomy stále krystalickou strukturu a podle toho určují, zda už došlo k roztavení.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
