Тайны воды и других аномальных жидкостей: “медленный” звук, релаксирующие сжимаемость и теплоемкость (миниобзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведен анализ причин существования “быстрого” звука на терагерцовых частотах в различных жидкостях. Показано, что величина скорости “быстрого” звука хорошо описывается обычной формулой из теории упругости: Vl = ((B(ω) + 4/3G(ω))/ρ)1/2, где ρ - плотность жидкости, а B(ω) и G(ω) - модули объемного сжатия и сдвига на соответствующих частотах. В “нормальных” жидкостях превышение значения скорости “быстрого” звука над скоростью обычного звука составляет 10-20 %, при этом оно почти полностью определяется вкладом модуля сдвига G(ω) на высоких частотах и обнуляется на линии Френкеля. В то же время в некоторых жидкостях (далее называемых “аномальными”), таких как вода и расплав теллура, огромное (50-120 %) превышение скорости “быстрого” звука над скоростью “нормального” связано, главным образом, с сильной частотной зависимостью модуля объемного сжатия B(ω). Аномально низкие значения релаксирующего модуля сжатия ранее были изучены нами для многих оксидных и халькогенидных стекол в области размытых фазовых превращений под давлением. В аномальных жидкостях также происходят размытые фазовые превращения в широкой области температур и давлений, что приводит к резкому снижению модулей сжатия и скоростей звука. Таким образом, рекордно большая разница между скоростями “быстрого” и “нормального” звука в аномальных жидкостях связана не с аномально “быстрым” звуком, а с тем, что “нормальный” звук в таких жидкостях является аномально “медленным”, а модули сжатия - аномально малыми. Ультразвуковые исследования аморфных льдов H2O низкой плотности (low density amorphous - lda) и высокой плотности (high density amorphous - hda) показывают, что их модуль сжатия, действительно, в 4-5 раз превышает модуль сжатия воды. Размытые фазовые превращения в воде и расплаве теллура приводят также к аномально большим значениям теплоемкости - в 1.5-2 раза выше, чем у “нормальных” жидкостей, т.е. для аномальных жидкостей характерны не только аномальное (немонотонное) поведение физических величин, но и их аномальные абсолютные значения для большинства доступных методик измерения. Аналогичное аномальное увеличение сжимаемости и теплоемкости наблюдается, как известно, для всех флюидов в близкой окрестности критической точки жидкость-газ. На терагерцовых частотах при этом наблюдается аномально “быстрый” звук, что также связано с резким ростом величины модуля сжатия B(ω) на высоких частотах. Вместе с тем, для аномальных жидкостей и стекол в области размытых фазовых превращений высокая сжимаемость и теплоемкость, как и большое превышение “быстрого” звука над “нормальным”, не обязательно связаны с близостью критических точек и имеют место при любом сценарии размытого фазового превращения.

Об авторах

В. В Бражкин

Институт физики высоких давлений РАН

Email: brazhkin@hppi.troitsk.ru

И. В Данилов

Институт физики высоких давлений РАН

Email: brazhkin@hppi.troitsk.ru

О. Б Циок

Институт физики высоких давлений РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: brazhkin@hppi.troitsk.ru

Список литературы

  1. https://water.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.html.
  2. P. Gallo, K. Amann-Winkel, C. Angell et al. (Collaboration), Chem. Rev. 116, 7463 (2016).
  3. W.C. R¨ontgen, Ann. Phys. Chem. 281, 91 (1892).
  4. P. Poole, F. Sciortino, U. Essman, and H.E. Stanley, Nature 360, 324 (1992).
  5. C. Huang, K.T. Wikfeldt, T. Tokushima et al. (Collaboration), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 15214 (2009).
  6. A.K. Soper, Pure Appl. Chem. 82, 1855 (2010).
  7. F. Kakinuma, T. Okada, and S. Ohno, J. Phys. Soc. Jpn. 55, 284 (1986).
  8. K. Takimoto and H. Endo, Phys. Chem. Liq 12, 141 (1982).
  9. Y. Kajihara, M. Inui, K. Ohara, and K. Matsuda, J. Phys.: Condens. Matter 32, 274001 (2020).
  10. Y. Kajihara, M. Inui, S. Hosokawa, K. Matsuda, and A.Q.R. Baron, J. Phys.: Condens. Matter 20, 494244 (2008).
  11. Y. Kajihara, M. Inui, K. Matsuda, and K. Ohara, arXiv:2201.10065.
  12. Y. Kajihara, M. Inui, K. Matsuda, T. Nagao, and K. Ohara, Phys. Rev. B 86, 214202 (2012).
  13. Y. Tsuchiya, J. Phys.: Condens. Matter 3, 3163 (1991).
  14. M. Kassem, C. Benmore, T. Usuki, K. Ohara, A. Tverjanovich, M. Bokova, V.V. Brazhkin, and E. Bychkov, J. Phys. Chem. Lett. 13, 10843 (2022).
  15. V.V. Brazhkin, S.V. Popova, and R.N. Voloshin, High Press. Res. 15, 267 (1997).
  16. Е.Ю. Тонков, Фазовые диаграммы элементов при высоком давлении, Наука, Главная редакция физико-математической литературы, М. (1979), 192 с.
  17. D.A. Young, Phase diagrams of the elements, California Univ., Livermore (USA), Lawrence Livermore Lab (1975).
  18. E. Rapoport, J. Chem. Phys. 46, 2891 (1967).
  19. E. Rapoport, J. Chem. Phys. 48, 1433 (1968).
  20. С.М. Стишов, УФН 96, 467 (1968).
  21. L. I. Aptekar, Dokl. Akad. Nauk SSSR 249, 1099 (1979).
  22. E.G. Ponyatovsky, J. Phys.: Condens. Matter 15, 6123 (2003).
  23. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, and S.V. Popova, JETP Lett. 50, 424 (1989).
  24. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, and S.V. Popova, High Press. Res. 4, 348 (1990).
  25. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, S.V. Popova, and A.G. Umnov, Phys. Lett. A 154, 413 (1991).
  26. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, S.V. Popova, and A.G. Umnov, High Press. Res. 6, 363 (1991).
  27. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, S.V. Popova, and A.G. Umnov, High Press. Res. 10, 454 (1992).
  28. R.N. Voloshin, V.V. Brazhkin, and S.V. Popova, High Press. Res. 13, 51 (1994).
  29. V.V. Brazhkin, A.G. Lyapin, S.V. Popova, and R.N. Voloshin, New types of phase transitions: phenomenology, concepts, and terminology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands (2002).
  30. V.V. Brazhkin, R.N. Voloshin, S.V. Popova, and A.G. Umnov, J. Phys.: Condens. Matter 4, 1419 (1992).
  31. A.G. Umnov, V.V. Brazhkin, S.V. Popova, and R.N. Voloshin, J. Phys.: Condens. Matter 4, 1427 (1992).
  32. A.G. Umnov and V.V. Brazhkin, High Temp.-High Press. 25, 221 (1994).
  33. Y. Katayama, T. Mizutani, W. Utsumi, O. Shimomura, M. Yamakata, and K. Funakoshi, Nature 403, 170 (2000).
  34. Y. Katayama, Y. Inamura, T. Mizutani, M. Yamakata, W. Utsumi, and O. Shimomura, Science 306, 848 (2004).
  35. G. Monaco, S. Falconi, W.A. Crichton, and M. Mezouar, Phys. Rev. Lett. 90, 255701 (2003).
  36. L. Henry, M. Mezouar, G. Garbarino, D. Sifre, G. Weck, and F. Datchi, Nature 584, 382 (2020).
  37. V.V. Brazhkin and A.G. Lyapin, J. Phys.: Condens. Matter 15, 6059 (2003).
  38. V.V. Brazhkin, Y. Katayama, Y. Inamura, M.V. Kondrin, A.G. Lyapin, S.V. Popova, and R.N. Voloshin, JETP Lett. 78, 393 (2003).
  39. V.V. Brazhkin, Y. Katayama, A.G. Lyapin, and H. Saitoh, Phys. Rev. B 89, 104203 (2014).
  40. V.V. Brazhkin, A.G. Lyapin, S.V. Popova, Y. Katayama, H. Saitoh, and W. Utsumi, J. Phys.: Condens. Matter 19, 246104 (2007).
  41. V.V. Brazhkin, Y. Katayama, M.V. Kondrin, T. Hattori, A.G. Lyapin, and H. Saitoh, Phys. Rev. Lett. 100, 145701 (2008).
  42. V.V. Brazhkin, M. Kanzaki, K. Funakoshi, and Y. Katayama, Phys. Rev. Lett. 102, 115901 (2009).
  43. V.V. Brazhkin, Y. Katayama, M.V. Kondrin, A.G. Lyapin, and H. Saitoh, Phys. Rev. B 82, 140202 (2010).
  44. V.V. Brazhkin, I. Farnan, K. Funakoshi, M. Kanzaki, Y. Katayama, A.G. Lyapin, and H. Saitoh, Phys. Rev. Lett. 105, 115701 (2010).
  45. T. Hattori, T. Kinoshita, T. Narushima, K. Tsuji, and Y. Katayama, Phys. Rev. B 73, 054203 (2006).
  46. K. Fuchizaki, N. Hamaya, and Y. Katayama, J. Phys. Soc. Jpn. 82, 033003 (2013).
  47. V.V. Brazhkin and A.G. Lyapin, JETP Lett. 78, 542 (2003).
  48. H. Tanaka, J. Chem. Phys. 153, 130901 (2020).
  49. O.B. Tsiok, V.V. Brazhkin, A.G. Lyapin, and L.G. Khvostantsev, Phys. Rev. Lett. 80, 999 (1998).
  50. V.V. Brazhkin, Y. Katayama, K. Trachenko, O.B. Tsiok, A.G. Lyapin, E. Artacho, M. Dove, G. Ferlat, Y. Inamura, and H. Saitoh, Phys. Rev. Lett. 101, 035702 (2008).
  51. T. Loerting, V.V. Brazhkin, and T. Morishita, Adv. Chem. Phys. 143, 29 (2009).
  52. V.V. Brazhkin, E. Bychkov, and O.B. Tsiok, J. Phys. Chem. B 120, 358 (2016).
  53. V.V. Brazhkin, E. Bychkov, and O.B. Tsiok, JETP 123, 308 (2016).
  54. V.V. Brazhkin, E. Bychkov, and O.B. Tsiok, Phys. Rev. B 95, 054205 (2017).
  55. V.V. Brazhkin, E. Bychkov, and O.B. Tsiok, JETP 125, 451 (2017).
  56. V.V. Brazhkin and O.B. Tsiok, Phys. Rev. B 96, 134111 (2017).
  57. O.B. Tsiok and V.V. Brazhkin, JETP 127, 1118 (2018).
  58. E. Soignard, O.B. Tsiok, A. S. Tverjanovich, A. Bytchkov, A. Sokolov, V.V. Brazhkin, C. J. Benmore, and E. Bychkov, J. Phys. Chem. B 124, 430 (2020).
  59. V.V. Brazhkin, E. Bychkov, A. S. Tver'yanovich, and O.B. Tsiok, JETP 130, 571 (2020).
  60. O.B. Tsiok, V.V. Brazhkin, A. S. Tverjanovich, and E. Bychkov, JETP 134, 51 (2022).
  61. V.V. Brazhkin, A.G. Lyapin, O.V. Stalgorova, E. L. Gromnitskaya, S.V. Popova, and O.B. Tsiok, J. Non. Cryst. Solids 212, 49 (1997).
  62. O.B. Tsiok, V.V. Bredikhin, V.A. Sidorov, and L.G. Khvostantsev, High Press. Res. 10, 523 (1992).
  63. О. Mishima, L.D. Calvert, and E.Whalley, Nature 310, 393 (1984).
  64. O.V. Stal'gorova, E. L. Gromnitskaya, V.V. Brazhkin, and A.G. Lyapin, JETP Lett. 69, 694 (1999).
  65. E. L. Gromnitskaya, O.V. Stal'gorova, V.V. Brazhkin, and A.G. Lyapin, Phys. Rev. B 64, 094205 (2001).
  66. A.G. Lyapin, O.V. Stal'gorova, E. L. Gromnitskaya, and V.V. Brazhkin, JETP 94, 283 (2002).
  67. E. L. Gromnitskaya, O.V. Stal'gorova, A.G. Lyapin, V.V. Brazhkin, and O.B. Tarutin, JETP Lett. 78, 488 (2003).
  68. E. L. Gromnitskaya, A.G. Lyapin, O.V. Stalgorova, I.V. Danilov, and V.V. Brazhkin, JETP Lett. 96, 789 (2013).
  69. E. L. Gromnitskaya, I.V. Danilov, A.G. Lyapin, and V.V. Brazhkin, Phys. Rev. B 92, 134104 (2015).
  70. T. Scopigno, G. Ruocco, and F. Sette, Rev. Mod. Phys. 77, 881 (2005).
  71. S.C. Santucci, D. Fioretto, L. Comez, A. Gessini, and C. Masciovecchio, Phys. Rev. Lett. 97, 225701 (2006).
  72. F. Gorelli, M. Santoro, T. Scopigno, M. Krisch, and G. Ruocco, Phys. Rev. Lett. 97, 245702 (2006).
  73. G. Ruocco and F. Sette, Condens. Matter Phys. 11, 29 (2008).
  74. D. Ishikawa, M. Inui, K. Matsuda, K. Tamura, S. Tsutsui, and A.Q.R. Baron, Phys. Rev. Lett. 93, 097801 (2004).
  75. Y. Kajihara, M. Inui, K. Matsuda, D. Ishikawa, S. Tsutsui, and A.Q.R. Baron, Phys. Rev. Research 5, 013120 (2023).
  76. A. Cunsolo, G. Ruocco, F. Sette, C. Masciovecchio, A. Mermet, G. Monaco, M. Sampoli, and R. Verbeni, Phys. Rev. Lett. 82, 775 (1999).
  77. A. Cunsolo, G. Pratesi, R. Verbeni, D. Colognesi, C. Masciovecchio, G. Monaco, G. Ruocco, and F. Sette, J. Chem. Phys. 114, 2259 (2001).
  78. F. Bencivenga, A. Cunsolo, M. Krisch, G. Monaco, G. Ruocco, and F. Sette, Europhys. Lett. 75, 70 (2006).
  79. G.G. Simeoni, T. Bryk, F.A. Gorelli, M. Krisch, G. Ruocco, M. Santoro, and T. Scopigno, Nat. Phys. 6, 503 (2010).
  80. M. Inui, Y. Kajihara, S. Hosokawa, A. Chiba, Y. Nakajima, K. Matsuda, J.R. Stellhorn, T. Hagiya, D. Ishikawa, H. Uchiyama, S. Tsutsui, and A.Q.R. Baron, J. Phys.: Condens. Matter 33, 475101 (2021).
  81. S. Hosokawa, Z. Phys. Chem. 235, 99 (2020).
  82. R.M. Khusnutdinoff, C. Cockrell, O.A. Dicks, A.C. S. Jensen, M.D. Le, L. Wang, M.T. Dove, A.V. Mokshin, V.V. Brazhkin, and K. Trachenko, Phys. Rev. B 101, 214312 (2020).
  83. T. Bryk, F. Gorelli, G. Ruocco, M. Santoro, and T. Scopigno, Phys. Rev. E 90, 042301 (2014).
  84. V.V. Brazhkin, Y.D. Fomin, A.G. Lyapin, V.N. Ryzhov, E.N. Tsiok, and K. Trachenko, Phys. Rev. Lett. 111, 145901 (2013).
  85. V.V. Brazhkin, Y.D. Fomin, V.N. Ryzhov, E.N. Tsiok, and K. Trachenko, Phys. A: Stat. Mech. Appl. 509, 690 (2018).
  86. Y.D. Fomin, V.N. Ryzhov, E.N. Tsiok, V.V. Brazhkin, and K. Trachenko, J. Phys.: Condens. Matter 28, 43LT01 (2016).
  87. K. Trachenko and V.V. Brazhkin, Rep. Prog. Phys. 79, 016502 (2016).
  88. V.V. Brazhkin, Y.D. Fomin, A.G. Lyapin, V.N. Ryzhov, and K. Trachenko, Phys. Rev. E 85, 031203 (2012).
  89. V.V. Brazhkin, Y.D. Fomin, A.G. Lyapin, V.N. Ryzhov, and K. Trachenko, JETP Lett. 95, 164 (2012).
  90. V.V. Brazhkin, A.G. Lyapin, V.N. Ryzhov, K. Trachenko, Y.D. Fomin, and E.N. Tsiok, Phys.-Uspekhi 55, 1061 (2012).
  91. C. Cockrell, V.V. Brazhkin, and K. Trachenko, Phys. Rep. 941, 1 (2021).
  92. Y.D. Fomin, V.N. Ryzhov, E.N. Tsiok, and V.V. Brazhkin, Sci. Rep. 5, 14234 (2015).
  93. V.V. Brazhkin, O.B. Tsiok, and Y. Katayama, JETP Lett. 89, 244 (2009).
  94. K. Suito, M. Miyoshi, T. Sasakura, and H. Fujisava, Elastic Properties of Obsidian, Vitreous SiO2, and Vitreous GeO2 Under High Pressure up to 6GPa, High-Pressure Research: Application to Earth and Planetary Sciences, ed. by Y. Syono and M.H. Manghnani, Terra Scientific Publishing Company (TERRAPUB), Tokyo/American Geophysical Union, Washington, DC. (1992), p. 219.
  95. G.H. Wolf, S. Wang, C.A. Herbst, D. J. Durben, W. F. Oliver, Z.C. Kang, and K. Halvorson, Pressure Induced Collapse of the Tetrahedral Framework in Crystalline and Amorphous GeO2, High-Pressure Research: Application to Earth and Planetary Sciences, ed. by Y. Syono and M.H. Manghnani, Terra Scientific Publishing Company (TERRAPUB), Tokyo/ American Geophysical Union, Washington, DC. (1992), p. 50.
  96. J.D. Nicholas, R.E. Youngman, S.V. Sinogeikin, J.D. Bass, and J. Kieffer, Phys. Chem. Glasses 44, 249 (2003).
  97. O. L. Anderson, Equations of state of solids for geophysics and ceramic science, Oxford University Press, Oxford, UK (1995).
  98. S.M. Antao, C. J. Benmore, B. Li, L.Wang, E. Bychkov, and J. B. Parise, Phys. Rev. Lett. 100, 115501 (2008).
  99. База данных NIST https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/.
  100. R. Feistel and W. Wagner, J. Phys. Chem. Ref. Data 35, 1021 (2006).
  101. F. Kakinuma and S. Ohno, J. Phys. Soc. Jpn. 56, 619 (1987).
  102. V.N. Korobenko and A.D. Rakhel, Phys. Rev. B 85, 014208 (2012).
  103. В.В. Бражкин, Письма в ЖЭТФ 112, 787 (2020).
  104. Г. Стенли, Фазовые переходы и критические явления, Мир, М. (1973), 425 c.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023