СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СВЕРХТЕКУЧЕЙ КВАНТОВОЙ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ РАСПЛАВА НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПОЛИМЕРА Российский патент 2015 года по МПК C01B35/10 

Предлагается способ получения новой квантовой сверхтекучей жидкости путем расплавления борного ангидрида при температуре выше 850°-1000°C.

Приведены экспериментальные данные, подтверждающие квантовые свойства и сверхтекучесть расплава борного ангидрида. Показано, что расплав обладает такими свойствами, как:

- нулевая энтропия;

- способность перетекания из одного сосуда в другой при наличии общей твердой поверхности;

- образование водоворотов при охлаждении расплава, характерных для квантовых жидкостей, без какого-либо механического воздействия.

Изобретение открывает новый класс сверхтекучих жидкостей.

Изобретение относятся к получению сверхтекучего материала, находящегося в жидком состоянии, который может быть использован в качестве модельной жидкости, обладающей квантовыми свойствами.

Изобретение открывает новый класс двухатомных однокомпонентных оксидных материалов и квантовых жидкостей и расширяет область их использования в фундаментальных исследованиях, связанных с разработкой теоретических основ и решения технологических вопросов высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Изобретение относится к получению простых по химическому составу квантовых жидкостей, полученных на основе неорганических стеклообразующих полимеров без введения каких-либо допирующих добавок.

В качестве прототипа рассматриваются борно-щелочные расплавы [1, 2], обладающие более сложным химическим составом и квантовыми свойствами.

Главным отличием предлагаемого состава (B₂O₃) от расплавов борно-щелочной группы является дальнейшее упрощение химического состава и технологии изготовления сверхтекучей жидкости. В частности, исключается необходимость тщательного приготовления шихты и гомогенизации расплава путем механического размешивания.

До настоящего времени разработано ограниченное количество сверхтекучих жидкостей, обладающих квантовыми свойствами, которые являются редкими экзотическими материалами. Известные достижения в этой области связаны главным образом с жидким гелием и с глубоким охлаждением и конденсацией паровой фазы некоторых других материалов [3].

Сверхнизкие температуры, одноатомный состав жидкого гелия затрудняют использование его и других жидкостей в качестве модельных.

Отсутствие других типов квантовых жидкостей затрудняет изучение одного из важнейших вопросов - сверхтекучести материалов. В связи с этим разработка составов квантовых модельных жидкостей является актуальной проблемой для развития фундаментальных теоретических основ квантовой физики и имеет большое прикладное значение для разработки высокотемпературных сверхпроводников.

В данном патенте рассматриваются впервые идентифицированные сверхтекучие и квантовые свойства расплава борного ангидрида.

Для установления сверхтекучести в работе было показано, что расплав В₂О₃ обладает следующими свойствами:

1. Квантовые жидкости имеют нулевые значения энтропии.

2. Более убедительным доказательством сверхтекучести расплава является его способность перетекать из одного сосуда в другой при наличии общей разделяющей твердой поверхности. Как показывают экспериментальные данные термо-ЭДС, в расплаве борного ангидрида в температурном интервале 850-1020°C минимальное значение термо-ЭДС не превышает 4,5 мВ (остаточные разности потенциалов), а коэффициент термо-ЭДС (α_т) имеет очень малые значения и в пределах возможной ошибки опыта можно считать α_т→0, а вместе с этим и энтропийный показатель B₂O₃ принимает нулевые значения.

Полученные экспериментальные данные подтверждаются результатами работы [1]. Рассматривая диаграммы «коэффициент термо-ЭДС - состав» в системах K₂O- В₂О₃ и Cs₂O- В₂О_3, следует отметить, что очень небольшая экстраполяция коэффициента термо-ЭДС на нулевое содержание щелочного компонента (чистый В₂О₃) дает однозначно нулевые значения α_т, а вместе с этим и нулевые значения энтропии В₂О₃.

Следует обратить внимание, что сверхтекучесть В₂О₃ существенно затрудняет проведение термоэлектрических исследований в связи с вытеканием расплава В₂О₃ из платиновой лодочки и образованием токопроводящих контактов между лодочкой и керамическими элементами нагревательной установки.

Все это может вносить большие погрешности в экспериментальные данные термоэлектрических исследований.

Определение сверхтекучести расплава проводилось по следующей методике (Фиг. 1). Ячейка состояла из двух платиновых тиглей: малого 1 и большого 2, вставленных один в другой.

Объем между стенками большого (2) и малого тигля (1) заполнялся исследуемым материалом B₂O₃. (6). Ячейка накрывалась сверху керамической крышкой (3) для образования насыщенной атмосферы и сохранения целостности тончайшей пленки расплава образующейся на внутренних и внешних поверхностях платиновых тиглей. Ячейка устанавливалась в проволочную корзину (4), которая крепится к керамической трубке (5), для удобства быстрого перемещения в печное пространство трубчатой печи. Применяемая подвесная система гарантировала предотвращение воздействия блуждающих токов при случайном контакте деталей ячейки с нагретыми до высокой температуры деталями электрической печи. Ячейка помещалась в печь при температуре 850°-950°C и выдерживалась от 30 мин до 2 ч в зависимости от условий опыта. Пленка на твердой поверхности платины перемещалась, как показано стрелками, с большой скоростью. При этом по аналогии с жидким гелием толщина пленки составляет несколько десятков мономолекулярных слоев и пленка совершенно не видима глазом, как во время опыта, так и после его окончания. Перемещение расплава из промежуточного тигельного пространства в малый тигель (1) отмечалось только по появлению В₂О₃ (6) в малом тигле (1) и изменению уровней расплава. Следует подчеркнуть, что перетекание наблюдалось нами только у расплавов с нулевыми значениями коэффициента термо-ЭДС, т.е. безэнтропийных и обладающих квантовыми свойствами. Что касается обычных расплавов, то проведенные нами многочисленные опыты показывают полное отсутствие их перетекания из большого тигля (2) в малый (1) при наличии разности уровней (Δ1) и аналогичных с квантовыми расплавами условиями.

Необходимо отметить и движение пленки В₂О₃ по внешней поверхности стенки большого тигля (2) (Фиг. 1). Движение расплава отмечается накоплением его на внешней поверхности дна большого тигля (2), где набирается ощутимое и видимое для глаза количество B₂O₃ (6). Рассмотренный выше опыт может быть легко воспроизведен в любой лаборатории.

3. Водовороты в расплаве борного ангидрида как подтверждение его сверхтекучести и квантовых свойств

Одним из свойств сверхтекучих жидкостей, активно изучаемых физиками в последнее время [4], являются водовороты, получаемые при охлаждении жидкости до температур, близких к абсолютному нулю. Физики смогли рассчитать различные динамические эффекты, используя суперсовременный компьютер. Динамика образования воронок изучалась в зависимости от скорости механического принудительного вращения жидкости. Установлено, что сверхтекучесть сохраняется даже в тех случаях, когда перемешивание осуществляется со сверхзвуковыми скоростями. В зависимости от скорости вращения образуется или много организованных в концентрические окружности воронок (при малой скорости вращения), или образуется одна воронка в центре, если перемешивать жидкость достаточно быстро.

Приведенные выше экспериментальные данные, свидетельствующие о сверхтекучести расплава борного ангидрида, давали основание предполагать, что и другие свойства, характерные для квантовых жидкостей, должны найти подтверждение. В связи с этим были изучены гидродинамические условия образования воронок в расплаве B₂O₃ при его охлаждении от температуры 850°-1000°C до комнатной температуры. Как показали экспериментальные данные, при охлаждении расплава B₂O₃ происходит образование необычной центральной воронки при полном отсутствии механических воздействий на расплав, что подтверждает наличие сверхтекучих и квантовых свойств у расплава B₂O₃. Образование воронок в расплаве связано с существованием вихрей и перемещением сверхтекучей части квантовой жидкости, которая в определенный момент, по-видимому, вовлекает в движение обычную часть расплава.

Сегодня можно утверждать, что водовороты, наблюдавшиеся физиками в квантовых жидкостях при сверхнизких температурах и в наших опытах в расплаве B₂O_3, представляют собой одно и то же явление и являются дополнительным важным подтверждением проявления квантовых сверхтекучих свойств расплава борного ангидрида.

Литература

1. Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей, Борисов А.Ф., Кислицына И.А., заявка 2011108168/05, 02.03.2011, опубликовано 27.12.2012, Бюл. №36.

2. Борисов А.Ф., Забелин В.А., Кислицына И.А. Термоэлектрические исследования координационных состояний бора в расплавах системы Li₂O-B₂O₃ // Приволжский научный журнал. - 2012. - №4 - с. 163-168.

3. Википедия: Сверхтекучесть - Режим доступа:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E2%E5%F0%F5%F2%E^%F1%F2%FC.

4. Тайны мира. - Режим доступа: http://www.tainamira.net/novosti/raznoe/fiziki-objasnili-vodovoroty-v-sverchtekuchei-zhidk.

Изобретение относится к способу получения сверхтекучей квантовой жидкости путем расплавления борного ангидрида (B₂O₃) при температуре выше 800°C. Полученный расплав представляет собой однокомпонентное соединение бора и кислорода и проявляет свойства сверхтекучей жидкости, такие как нулевая энтропия по данным термоэлектрических исследований, перетекание расплава по твердой поверхности платины из одного сосуда в другой при наличии общей для сосудов поверхности и разности уровней расплава, а также образует водовороты, характерные для сверхтекучих жидкостей при охлаждении расплава B₂O₃ от температуры 950-1000° до комнатной температуры, и при этом не производится механических воздействий на расплав борного ангидрида. Изобретение обеспечивает получение квантовой жидкости на основе неорганического стеклообразующего полимера без введения допирующих добавок. 1 ил.

Способ получения сверхтекучей квантовой жидкости, включающий расплавление борного ангидрида (B₂O₃) при температуре выше 800°C, при этом полученный расплав представляет собой однокомпонентное соединение бора и кислорода и проявляет свойства сверхтекучей жидкости, такие как нулевая энтропия по данным термоэлектрических исследований, перетекание расплава по твердой поверхности платины из одного сосуда в другой при наличии общей для сосудов поверхности и разности уровней расплава, а также образует водовороты, характерные для сверхтекучих жидкостей при охлаждении расплава B₂O₃ от температуры 950-1000° до комнатной температуры, и при этом не производится механических воздействий на расплав борного ангидрида.