Η αρνητική πίεση αποτελεί ένα σπάνιο φαινόμενο που είναι δύσκολο να εντοπιστεί. Όμως, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Max Planck για την Επιστήμη του Φωτός (MPL) στο Erlangen, χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες γεμάτες υγρό και ηχητικά κύματα, ανακάλυψαν μια νέα μέθοδο για τη μέτρησή του. Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Φωτονικών Τεχνολογιών Leibniz στην Jena (IPHT), οι επιστήμονες της ερευνητικής ομάδας “Quantum Optoacoustics”, με επικεφαλής την Birgit Stiller, μπορούν να αποκτήσουν σημαντικές γνώσεις σχετικά με τις θερμοδυναμικές φάσεις.
Ως φυσικό μέγεθος, η πίεση συναντάται σε διάφορους τομείς: ατμοσφαιρική πίεση στη μετεωρολογία, αρτηριακή πίεση στην ιατρική· ακόμα και στην καθημερινή ζωή, όπως στις χύτρες ταχύτητας και στα σφραγισμένα σε κενό τρόφιμα. Η πίεση ορίζεται ως η δύναμη που εφορμόζεται κάθετα σε μία επιφάνεια (ενός στερεού, υγρού ή αερίου), ανά μονάδα επιφάνειας. Αναλόγως της κατεύθυνσης κατά οποία δρα η δύναμη μέσα σε ένα κλειστό σύστημα, η πολύ υψηλή πίεση μπορεί να οδηγήσει σε εκρηκτικές αντιδράσεις σε ακραίες περιπτώσεις, ενώ η πολύ χαμηλή πίεση σε ένα κλειστό σύστημα μπορεί να προκαλέσει την ενδόρρηξη του ίδιου του συστήματος.
Υπερπίεση σημαίνει πάντα ότι το αέριο ή το υγρό πιέζει τα τοιχώματα του δοχείου του από το εσωτερικό, όπως ένα μπαλόνι που διαστέλλεται όταν προσθέτουμε αέρα. Ανεξαρτήτως του εάν η πίεση είναι υψηλή ή χαμηλή, η αριθμητική τιμή της πίεσης είναι πάντα θετική σε συνηθισμένες συνθήκες.
Τα υγρά, ωστόσο, εμφανίζουν ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό. Μπορούν να βρεθούν σε μια συγκεκριμένη μετασταθή κατάσταση, η οποία αντιστοιχεί σε αρνητικές τιμές πίεσης. Σε αυτή τη μετασταθή κατάσταση, ακόμη και η ελάχιστη εξωτερική επίδραση μπορεί να προκαλέσει την κατάρρευση του συστήματος στην μία ή στην άλλη κατάσταση. Είναι όπως ένα roller coaster που ισορροπεί στην κορυφή ενός “λόφου” της διαδρομής: το παραμικρό άγγιγμα στην μία πλευρά ή στην άλλη, το κάνει να ξεκινήσει την κάθοδο. Στην τρέχουσα μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό “Nature Physics”, οι ερευνητές εξετάζουν τη μετασταθή κατάσταση υγρών με αρνητική πίεση.
Για να το πετύχουν αυτό, συνδύασαν δύο μοναδικές τεχνικές. Αρχικά, γέμισαν με υγρό μια κλειστή οπτική ίνα, με την ποσότητα του υγρού που απαιτείται για αυτό να είναι της τάξης των νανολίτρων, κάτι που καθιστά δυνατή την ύπαρξη τόσο θετικών όσο και αρνητικών πιέσεων. Στη συνέχεια, συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις οπτικών και ακουστικών κυμάτων στο υγρό, επέτρεψαν την -με ιδιαίτερη ευαισθησία- μέτρηση της επίδρασης της πίεσης και της θερμοκρασίας σε διαφορετικές καταστάσεις του υγρού.
Τα ηχητικά κύματα λειτουργούν ως αισθητήρες για τις τιμές αρνητικής πίεσης, μελετώντας έτσι αυτή τη μοναδική κατάσταση της ύλης με εξαιρετική ακρίβεια και υψηλή χωρική ανάλυση.
Μπορούμε να σκεφτούμε την επίδραση της αρνητικής πίεσης σε ένα υγρό, ως εξής: Βάσει των νόμων της θερμοδυναμικής, ο όγκος του υγρού θα μειωθεί, το υγρό όμως συγκρατείται στην τριχοειδή γυάλινη ίνα από τις δυνάμεις συνάφειας· όπως “κολλάει” στο δάχτυλό μας, μια σταγόνα νερού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα “τέντωμα” του υγρού. Συμπεριφέρεται σαν ένα λάστιχο που τεντώνεται.
Η εξέταση της εξωτικής αυτής κατάστασης συνήθως απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό και ιδιαίτερες προφυλάξεις. Οι υψηλές πιέσεις μπορεί να γίνουν πολύ επικίνδυνες, ιδιαίτερα όταν εμπλέκονται τοξικά υγρά. Το δισουλφίδιο άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε από τους ερευνητές σε αυτή τη μελέτη, εμπίπτει σε αυτήν την κατηγορία. Λόγω αυτού, οι προηγούμενες διατάξεις μετρήσεων για τη δημιουργία και τον προσδιορισμό αρνητικών πιέσεων, καταλάμβαναν ιδιάιτερα εκτεταμένο εργαστηριακό χώρο, φτάνοντας μάλιστα στο σημείο να διαταράσσουν το σύστημα μετασταθούς κατάστασης.
Αντίθετα, με τη νέα μέθοδο, που παρουσιάζεται εδώ, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μικροσκοπική, απλή διάταξη, με την οποία μπορούν να εκτελέσουν ιδιαίτερα ακριβείς μετρήσεις πίεσης χρησιμοποιώντας κύματα φωτός και ήχου. Η ίνα που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό έχει το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας.
«Ορισμένα φαινόμενα που είναι δύσκολο να εξερευνηθούν με τις συνηθισμένες και καθιερωμένες μεθόδους, μπορούν να καταστούν απροσδόκητα προσβάσιμα όταν νέες μέθοδοι μέτρησης συνδυάζονται με νέες πλατφόρμες. Το βρίσκω συναρπαστικό», λέει η Δρ. Birgit Stiller, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας “Quantum Optoacoustics” στο MPL.
Τα ηχητικά κύματα που χρησιμοποιεί η ομάδα μπορούν να ανιχνεύσουν, με αρκετά αυξημένη ευαισθησία, τις αλλαγές στην θερμοκρασία, πίεση και την παραμόρφωση κατά μήκος της οπτικής ίνας. Επιπρόσθετα, με την μέθοδο αυτή καθίσταται δυνατή η χωρική διάκριση των μετρήσεων, κάτι που σημαίνει ότι τα ηχητικά κύματα μπορούν να παράσχουν εικόνα της κατάστασης κατά μήκος της οπτικής ίνας με διακριτική ικανότητα εκατοστών.
«Η μέθοδός μας, μας επιτρέπει να κατανοήσουμε βαθύτερα τις θερμοδυναμικές εξαρτήσεις σε αυτό το μοναδικό σύστημα», τονίζει η Alexandra Popp, μία εκ των δύο κύριων συγγραφέων του άρθρου. Ο έτερος κύριος συγγραφέας, ο Andreas Geilen, προσθέτει «Οι μετρήσεις αποκάλυψαν μερικά εκπληκτικά αποτελέσματα. Η παρατήρηση του καθεστώτος αρνητικής πίεσης γίνεται ιδιαίτερα διαυγής όταν χρησιμοποιούμε συχνότητες ηχητικών κυμάτων.»
Ο συνδυασμός οπτικοακουστικών μετρήσεων και ερμητικά σφραγισμένων τριχοειδών ινών, επιτρέπει νέες ανακαλύψεις σχετικά με την παρακολούθηση χημικών αντιδράσεων σε τοξικά υγρά εντός υλικών και μικροαντιδραστήρων, που κατά τα άλλα δύσκολα διερευνώνται. Μπορεί να διεισδύσει σε νέες, δυσπρόσιτες περιοχές της θερμοδυναμικής.
«Η νέα πλατφόρμα αυτή -πλήρως σφραγισμένες ίνες, γεμάτες υγρό- παρέχει πρόσβαση σε υψηλές πιέσεις και άλλες θερμοδυναμικές καταστάσεις», εξηγεί ο καθηγητής Markus Schmidt από το IPHT, ενώ ο Δρ Mario Chemnitz, επίσης από το IPHT, τονίζει: «Είναι πολύ σημαντικό το να εξετάσουμε -ακόμα και να προσαρμόσουμε- περαιτέρω μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα, σε αυτόν τον τύπο ινών.»
Τα φαινόμενα αυτά μπορούν να ξεκλειδώσουν ανεξερεύνητες και δυνητικά νέες ιδιότητες σε αυτή τη μοναδική θερμοδυναμική κατάσταση των υλικών. Η Birgit Stiller καταλήγει: «Η συνεργασία μεταξύ των ερευνητικών μας ομάδων στο Erlangen και την Jena, με την αντίστοιχη τεχνογνωσία που διαθέτουν, είναι μοναδική για να αποκτήσουμε νέες γνώσεις για τις θερμοδυναμικές διαδικασίες και καταστάσεις, μέσω μίας μικροσκοπικής και εύχρηστης οπτικής πλατφόρμας.»
Παραπομπές: Geilen, A. et al, Extreme thermodynamics in nanolitre volumes through stimulated Brillouin–Mandelstam scattering, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1
Πηγή: https://mpl.mpg.de/
