X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В последние годы все большее внимание уделяется исследованию квантовых свойств веществ, сверхтекучести, которые еще не изучены в полной мере ни в одной из стран мира. В современной мировой практике известно всего несколько видов веществ, обладающими признаками сверхтекучести: это жидкий и твердый гелий, водород. Явление сверхтекучести наблюдается у них при температурах, близких к абсолютному нулю и его обнаружение требует сложного технологического процесса и больших энергетических затрат. Поэтому актуальным на данный момент является рассмотрение нового класса макроскопических жидкостей, обладающих квантовыми свойствами при высоких температурах (порядка 800-1000⁰С), не требующих сложного технологического процесса и больших энергозатрат.

Работа содержит исследование свойств нового класса сверхтекучих квантовых жидкостей – расплавов, которые были открыты совсем недавно. Сверхтекучесть впервые изучалась российскими учеными лауреатами Нобелевской премии П.Л. Капицей и Л.Д. Ландау.

Объект исследования – двухжидкостные структуры борных оксидных расплавов.

Предмет исследования – свойство сверхтекучести борных оксидных расплавов.

Цель научной работы – экспериментально, с помощью метода визуализации, обнаружить и подтвердить свойство сверхтекучести борных оксидных расплавов.

Сверхтекучими называются жидкости, способные перетекать из одного сосуда в другой по вертикальной стенке, разделяющей эти сосуды. Жидкость перетекает в виде тончайшего нанометрового слоя не обращая внимания на вертикальные препятствия. (Рис.1)

Рис.1 Процесс перетекания сверхтекучей жидкости

Механизм перетекания сверхтекучего расплава состоит из двух компонентов:

1 – сверхтекучая часть, в формировании ее большую роль играют квазичастицы (частицы, обладающие волновыми и корпускулярными свойствами);

2 – обычный борный расплав.

Сверхтекучая часть образует структурные элементы, которые придают ей удивительные квантовые свойства. В общем случае эти частицы называются квазичастицами (это как бы частицы, обладающие волновыми и корпускулярными свойствами и могут переходить из одного состояния в другое). Переход частицы в волновое состояние не означает полного его исчезновения, сгущение электромагнитных волн может фиксироваться различными методами и представлять собой различного рода квазичастицы.

Для формирования сверхтекучей части необходимы определенные условия:

Температура;

Особое состояние расплава (поверхностного слоя). Энтропия этого слоя равна нулю. Нулевая энтропия характеризует собой идеальную степень упорядоченности поверхностного слоя.

Способ визуализации двухжидкостной структуры квантовой жидкости в оксидных расплавах, отличается тем, что оксидный расплав получают путем плавления тонкодисперсного порошка В₂О₃ с добавками MеO или CuO в соотношении: В₂О₃ - 99.0 % и MеO- 1,0 %, расплав помещается в ячейку, состоящую из двух концентрически расположенных платиновых тиглей, и после выдержки при температуре 800 - 1000°C исходный расплав должен самопроизвольно разделяется на сверхтекучую жидкость, перетекающую в малый платиновый тигель, и исходный расплав, находящийся в большом платиновом тигле; сверхтекучий перетекающий расплав представляет собой оксид бора, остается прозрачным при любых температурах, в то время как исходный расплав при охлаждении может изменять свой цвет в зависимости от добавленного вещества.

Установлена высокая устойчивость сверхтекучего состояния B₂O₃. Введение добавок в количестве нескольких процентов не влияет на сверхтекучие свойства B₂O₃. Сверхтекучее состояние B₂O₃ малочувствительно к примесям. Процесс охлаждения борного расплава может сопровождаться образованием квантовой воронки. Квантовая воронка – это топологический эффект, который проявляется в сверхтекучей жидкости при её охлаждении. Сверхтекучесть вещества – это такое состояние, при котором вещество находится в так называемом состоянии квантовой жидкости и не испытывает трения при движении. Образование воронки происходит под действием термомеханических факторов за счет температурного градиента. Градиент температуры оказывает решающее воздействие. Разность температур достигается за счет резкого охлаждения.

Образование воронки происходит в несколько этапов:

1. Углубление поверхности расплава.

2. Деформация поверхности расплава с образованием конусной части по всей поверхности.

3. Образование в нижней части конуса цилиндрического углубления с одинаковым диаметром по всей высоте.

Способность борных оксидных расплавов к перетеканию была исследована по разработанной в ННГАСУ методике [2].

Методика проведения опыта: ячейка состоит из двух платиновых тиглей -малого 1 и большого 2, вставленных один в другой. Большой тигель заполняется борным стеклом 5 и накрывается керамической крышкой 3. В проволочной корзине 4, которая крепится к керамической трубке 6, тигли погружаются в трубчатую печь при температуре 800 - 1000⁰C с выдержкой от 30 минут. После остывания должно наблюдаться появление В₂О₃ в малом платиновом тигле и изменение уровней расплава ∆l в двух тиглях (Рис.2). Заполнение малого тигля обычно составляет 5-7 мм при общей его высоте 2 см.

Рисунок 2 – Схема проведения опыта

Таким образом, проводимые нами исследования на базе кафедры Техносферной безопасности, были освоены свойства сверхтекучести борных оксидных расплавов, которые требуют дальнейшего наблюдения, изучения и подтверждения. Для этого необходимо провести множество опытов с различными температурами и различными добавочными веществами для достижения необходимого результата, а именно, перетекания двухжидкостной структуры борных оксидных расплавов с помощью метода визуализации.

Список литературы:

Патент RU 2470864 C2. Борисов А.Ф., Кислицына И.А. Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей, ННГАСУ, 2012г. 44

Борисов А. Ф., Забелин В.А., Кузнецова Е.И. Способ получения оксидных стеклообразующих расплавов, обладающих способностью к формированию квантовых воронок/ А.Ф. Борисов, В.А. Забелин, Е.И. Кузнецова// Приволжский научный журнал / Нижегор. Гос. Архитектур.- строит, ун-т. - Н.Новгород, 2015. -№ 2,- С. 80-85.

http://ency.info/materiya-i-dvigenie/kholod-i-teplo/362-sverkhtekuchest-chudesnoe-svojstvo-zhidkogo-geliya

Код для цитирования: Скопировать