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超临界流体中准平衡相共存的观测

韩国的一个研究小组观察到超临界流体中长期存在的非平衡相共存。

POSTECH物理系和高级核工程部的Gunsu S.Yun教授以及物理系和Max Planck POSTECH/韩国研究计划(MPK)的Dong Eon Kim教授领导的一个研究团队观察到超临界流体中持续数小时的非平衡相共存。研究人员通过相共存界面上的质量输运模型解释了这一现象,在该界面上,输运发生在大块纳米尺寸的团簇中,而不是单个原子中。

大约200年来,当流体的温度和压力上升到称为临界点的某个水平以上时,液体和气体之间的边界消失,状态改变不再发生,这已被公认为科学知识。然而,在2010年代,研究结果表明,超临界流体可能具有液体或气体性质,这取决于温度和压力条件。此后,通过各种实验和模拟不断证实,超临界流体区域存在多种状态。然而,尚未讨论在相同温度和压力点下多个相共存而不是单相共存的状态的可能性,即,与一般液体和气体在相分离后共存的状态相似的状态。

为此,联合研究小组在使用连续压缩膨胀循环运行的高压室制造超临界氩流体的过程中,展示了大量氩液滴(通过绝热膨胀冷却形成)的状态与类气体超临界背景共存,同时保持其类液体性质。这两个相孤立共存的状态持续了惊人的长时间,研究人员提出了一种新的由纳米团簇介导的质量传输模型,这是对传统蒸发模型的改进,用于解释这一现象。

超临界流体由于其低粘度和高溶解度等有益特性,已被广泛应用于发电厂的热交换系统、制药工艺、半导体清洗和食品加工等行业。本研究中发现的超临界流体中的非平衡相共存对物理和化学性质(如热容、热导率和粘度)有重大影响,这可能对工业应用中的超临界流体处理具有重要意义。

此外,这一成果对于首次识别超临界流体非平衡相共存是一个未开发的领域,奠定了相关研究的基础,具有重要的学术价值。

对超临界流体非平衡的研究不仅有助于工业过程,而且有助于了解自然界中存在的各种超临界流体,如金星和木星等行星的大气层、火山爆发和地壳中的流体Gunsu S.Yun教授以通讯作者的身份参与了这项研究。“我们的发现将有助于理解超临界流体的输运性质。”他补充道,“我们正在进行研究,从理论上解释超临界流体中的非平衡相共存,超越实验结果。”

这项研究的结果发表在2021年7月30日的《自然通讯》上。这项研究是在韩国国家研究基金会和马克斯-普朗克韩国/ PoistCH研究计划的支持下进行的。

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