СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДВУХЖИДКОСТНОЙ СТРУКТУРЫ КВАНТОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ОКСИДНЫХ РАСПЛАВАХ Российский патент 2015 года по МПК G01N33/00 C01G1/02 C01B35/10 

Изобретение относится к разработке способа визуализации двухжидкостной (далее ДС) структуры в сверхтекучих жидкостях. Проявление расплавом свойств ДС структуры является также подтверждением модели Ландау Л.Д. и может рассматриваться как один из дополнительных признаков сверхтекучести жидкости (расплава).

Визуализация ДС структуры была разработана применительно к борным оксидным расплавам, содержащим небольшие примеси до 1% мол. различных добавок.

Оксидный расплав получают путем плавления тонкодисперсного порошка В₂О₃ и допирующих добавок ВаО или Co₃O₄ в соотношении:

B₂O₃ - 99,0% мол.

МО - 1,0% мол.

Расплав гомогенизируется при помощи платиновой мешалки и представляет собой в исходном состоянии при комнатной температуре однородное стекло. Борное стекло помещается в ячейку, состоящую из двух концентрически расположенных платиновых тиглей (большой и малый). После выдержки при температуре 1000°C расплав разделяется на сверхтекучий расплав, который перетекает из большого в малый платиновый тигель, и исходный расплав, находящийся в большом платиновом тигле. Исходный расплав, охлажденный в ячейке до комнатной температуры, приобретает молочно-белый не прозрачный цвет, если содержит 1,0% мол. ВаО, или сине-фиолетовый цвет, если содержит 1% мол. Co₃O₄.

Сверхтекучий расплав В₂О₃, перетекающий в малый платиновый тигель, при любой температуре превращается в бесцветный и прозрачный расплав.

Изобретение относится к исследованию свойств нового класса сверхтекучих квантовых жидкостей-расплавов [7, 8], которые были открыты совсем недавно [1].

Принимая во внимание необычные параметры проявления квантовых свойств оксидных расплавов (температура 800-1000°C,) сегодня становятся особенно актуальными вопросы экспериментального изучения свойств и дополнительных признаков сверхтекучести борных расплавов.

К их числу относится также идентификация двухжидкостной структуры.

В настоящее время установлены такие признаки сверхтекучести как:

1. Нулевые значения изменения энтропии [2, 3, 4].

2. Перетекание сверхтекучего расплава в виде тонкого слоя [7].

3. Высокая склонность борных расплавов к формированию квантовых воронок [5].

Данное изобретение открывает новый признак сверхтекучести борных оксидных расплавов и позволяет ответить на вопрос, каков химический состав сверхтекучей перетекающей части.

Рассматривая полученный к настоящему времени экспериментальный материал, можно отметить следующие особенности в части идентификации сверхтекучей компоненты сверхтекучей жидкости.

Прежде всего, необходимо отметить, что в борных оксидных расплавах чистый компонент оксид бора в жидком состоянии при определенных параметрах состояния сам является носителем квантовых свойств и сверхтекучей жидкостью [1].

Анализ систем В₂О₃ [8] и R₂O- В₂О₃ [7] позволяет установить следующие положения, которые, очевидно, являются общими:

1. При изучении структурных особенностей чистого бора соотношение В₃:В₄ (где В₃ и В₄ количество трехкоординированного бора к содержанию четырехкоординированного) при комнатной температуре

приближается к 1, а количество четырехкоординированного бора составляет менее одного процента [2, 4].

2. С увеличением температуры концентрация В₃ еще более возрастает, а концентрация В₄ уменьшается и при температуре 950-1000°C по данным термоэлектрических исследований концентрация В₄ составляет десятые доли процента [1, 2] и менее.

3. При добавлении к чистому В₂О₃ щелочных компонентов концентрация трехкоординированного бора уменьшается (фиг. 1, 2), а концентрация четырехкоординированного бора возрастает.

4. В зависимости от содержания в расплаве концентрации В₃ сверхтекучие свойства расплава проявляются или исчезают.

5. Сверхтекучестью, а следовательно, и квантовыми свойствами обладают только расплавы с преобладающим содержанием В₃. Сверхтекучие расплавы, идентифицированные по результатам перетекания, приведены в таблице 1.

6. Полученные результаты дают основание считать, что в бинарных системах типа R₂O - В₂О₃ состав компоненты перетекающей сверхтекучей жидкости представляет собой сверхтекучий В₂О₃, однако никаких экспериментальных данных, подтверждающих эти представления, до настоящего времени не были получены.

Подтверждением последнего предположения являются следующие экспериментальные данные.

Идентификация сверхтекучести была аналогична приведенной в работах [7, 8] и проводилась следующим образом.

Ячейка состояла из двух концентрически расположенных платиновых тиглей, фиг. 3.

Объем между стенками большого и малого тигля заполняется исследуемым материалом В₂О₃ с добавками других оксидов. Ячейка накрывается сверху керамической крышкой для образования насыщенной атмосферы и сохранения целостности тончайшей пленки расплава, образующейся на внутренних и внешних поверхностях платиновых тиглей. Ячейка устанавливается в проволочную корзину 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 1000°C и выдерживалась 60 мин. Пленка на твердой поверхности платины перемещалась, как показано стрелками, с большой скоростью. При этом по аналогии с жидким гелием толщина пленки составляет, по-видимому, несколько десятков мономолекулярных слоев и пленка совершенно не видима глазом, как во время опыта, так и после его окончания. Перемещение расплава из большого тигля в малый тигель отмечалось по появлению В₂О₃ в малом тигле и изменению уровней расплава. Следует подчеркнуть, что перетекание наблюдалось только для расплавов с нулевыми значениями коэффициента термо-ЭДС, т.е. безэнтропийных и обладающих квантовыми свойствами. Что касается расплавов, не обладающих квантовыми свойствами, то проведенные нами многочисленные опыты показывают полное отсутствие их перетекания.

В работе были использованы два различных по составу расплава.

1. В₂О₃ - 99,0%: ВаО - 1,0% мол.

2. В₂О₃ - 99,0%: Co₃O₄ - 1,0% мол.

На диаграмме состояния [6] состав 1 находится в крайней точке области ликвации. При варке стекла было установлено, что борно-бариевый расплав 1 оставаясь прозрачным при температуре выше 800°C при охлаждении подвергается микроликвации и приобретает равномерный молочно-белый цвет. Это свойство и использовалось для визуализации изменения состава перетекающей жидкости. Ячейка с исходным составом стекла помещалась в разогретую до температуры опыта (1000°C) печь и выдерживалась 60 минут. После охлаждения в ячейке наблюдались следующие изменения. Если исходный расплав подвергался микроликвации и приобретал молочно-белый цвет, то сверхтекучая часть расплава в малом платиновом тигле (фиг. 3) была полностью прозрачна и представляла собой, очевидно, по химическому составу чистый оксид бора (В₂О₃). Перетекание ВаО вместе со сверхтекучей частью расплава вызывало бы процесс микроликвации и появление молочно-белой окраски и в малом тигле, чего не наблюдалось в действительности.

Можно предполагать, что процессы, протекающие в сверхтекучих жидкостях, в частности образование в них двухжидкостной структуры, отличает их от термомеханических процессов, протекающих в обычных жидкостях.

Наблюдаемые впервые процессы дифференциации двухжидкостного расплава протекают на молекулярном уровне.

Для подтверждения процесса визуализации вторая серия опытов проводилась с расплавом оксида бора, окрашенного оксидом кобальта. С этой целью в расплав В₂О₃ вводился Co₃O₄ в количестве 1,0% мол. Расплав приобретал при этом интенсивную сине-фиолетовую окраску.

После проведения опыта по перетеканию окрашенного расплава по приведенной выше методике (температура 1000°C, выдержка 60 минут) в ячейке наблюдались следующие изменения. Из большого платинового тигля 2 (фиг. 3), наполненного окрашенным стеклом, произошло перетекание сверхтекучего расплава (сверхтекучей части расплава) в малый тигель. Расплав в малом тигле потерял сине-фиолетовую окраску и оказался полностью прозрачным и бесцветным. Именно такой результат был запрограммирован нами перед проведением опыта. Наблюдаемый экспериментально (визуально) результат по обесцвечиванию перетекающего расплава объясняется тем, что в процессе перетекания участвует только сверхтекучий расплав В₂О₃, который при своем перетекании не захватывает ВаО или Co₃O₄.

Представляет интерес повторение опыта с другими красящими оксидами.

Приведенный выше способ визуализации двухжидкостной структуры позволяет выявить дополнительный признак сверхтекучести и квантового состояния расплава.

Литература

1. Борисов А.Ф., Буньков М.М, Забелин В.А., Кислицына И А. Сверхтекучесть оксидных расплавов. / А.Ф. Борисов, М.М. Буньков, В.А. Забелин, И.А. Кислицына // Приволжский научный журнал / Нижегор. Гос. Архитектурно-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2013. - №3. - С. 96-102.

2. Борисов А.Ф., Кислицына И.А. Проявление признаков квантововых свойств жидкости в оксидных расплавах по результатам термоэлектрических исследований / А.Ф.Борисов, И.А. Кислицына // Приволжский научный журнал / Нижегор. Гос. Архитектурно-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2011. -№4. - С. 110-117.

3. Борисов А.Ф. Концентрационные и термические цепи с платиновыми электродами и оксидными электролитами: дис…д-ра хим. наук/ А.Ф. Борисов; Уральс. науч. центр, Ин-т электрохимии АН СССР Свердловск, 1981. - 273 с.

4. Патент (RU 2470864 С2): Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей. 27.12.2012 г.

5. Способ получения оксидных стеклообразующих расплавов, обладающих способностью к формированию квантовых воронок. Уведомление о поступлении заявки. Регистрационный номер 2013141575. Дата поступления 10.09.2013 г.

6. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем: справочник. Вып. 1. Двойные системы / Акад. наук СССР. Ин-т химии силикатов им. И.В. Гребенщикова. -М.-Л.: Наука, 1965. - 546 с: с черт. - Библиогр. в конце разд. - 4200 экз.

7. Уведомление о положительном результате формальной экспертизы. Заявка №2013108552/05(012725) от 26.02.2013 г. Способ получения сверхтекучих квантовых жидкостей.

8. Уведомление о поступлении заявки №2013125987 от 05.06.2013 г. Способ получения квантовых жидкостей.

Изобретение может быть использовано в фундаментальных исследованиях и при разделении обычных и сверхтекучих жидкостей. Способ визуализации двухжидкостной структуры квантовой жидкости в оксидных расплавах включает получение оксидного расплава путем плавления тонкодисперсного порошка В₂О₃ с добавками ВаО или Co₃O₄ в соотношении: ВаО - 1,0 мол.%; В₂О₃ - 99.0 мол.% мол. или Со₃О₄ - 1,0 мол.%; В₂О₃ - 99.0 мол.%. Оксидный расплав помещается в ячейку, состоящую из двух концентрически расположенных платиновых тиглей (1, 2), и после выдержки при температуре 1000°C исходный расплав самопроизвольно разделяется на сверхтекучую жидкость (расплав В₂О₃), перетекающую в малый платиновый тигель (1), и исходный расплав, находящийся в большом платиновом тигле (2). Сверхтекучий перетекающий расплав представляет собой оксид бора, остается прозрачным при любых температурах, в то время как исходный расплав с добавкой оксида бария при охлаждении приобретает молочно-белый цвет, обусловленный микроликвацией. В другом оксидном расплаве с добавкой оксида кобальта протекают аналогичные процессы при перетекании сверхтекучего расплава - исходный расплав сохраняет начальную интенсивную сине-фиолетовую окраску, тогда как сверхтекучий расплав, перетекающий в малый платиновый тигель (1), полностью обесцвечивается. Изобретение позволяет изучить свойства и признаки сверхтекучести и квантового состояния борных оксидных расплавов, а также определить химический состав сверхтекучей перетекающей части. 3 ил., 1 табл.

Способ визуализации двухжидкостной структуры квантовой жидкости в оксидных расплавах, отличающийся тем, что оксидный расплав получают путем плавления тонкодисперсного порошка В₂О₃ с добавками ВаО или Co₃O₄ в соотношении: ВаО-1,0 мол.%; В₂О₃-99.0 мол.% или Со₃О₄-1,0 мол.%; В₂О₃-99.0 мол.%, расплав помещается в ячейку, состоящую из двух концентрически расположенных платиновых тиглей, и после выдержки при температуре 1000°C исходный расплав самопроизвольно разделяется на сверхтекучую жидкость (расплав В₂О₃), 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 с добавкой оксида бария при охлаждении приобретает молочно-белый цвет, обусловленный микроликвацией, в другом расплаве с добавкой оксида кобальта протекают аналогичные процессы при перетекании сверхтекучего расплава - исходный расплав сохраняет начальную интенсивную сине-фиолетовую окраску, тогда как сверхтекучий расплав, перетекающий в малый платиновый тигель, полностью обесцвечивается.