Kafeinsiz kahve ile mıknatıslar arasındaki bağlantı nedir? Her ikisinde de aynı “evrensellik sınıfının” üyesi olan fiziksel sistemler söz konusudur. Kahve çekirdeklerinden kafeini çıkarmak için süperkritik karbondioksit kullanılırken, mıknatıs üretmek için ferromanyetik malzemeler kullanılıyor.
Hem sıvı-gaz hem de ferromanyetik sistemlerin kritik üsleri, faz geçişlerinin gerçekleştiği kritik noktada aynıdır. Mikroskobik ayrıntılar hakkında önceden bilgi sahibi olmadan, bir sistemin kritik noktadaki davranışı, evrensellik sınıfı belirlenerek niceliksel olarak karakterize edilebilir. Makroskobik özellikleri gözlemlemek yeterlidir.
Bununla birlikte, bu kısayolu kullanmak deneysel olarak sıklıkla zordur, bunun nedeni kısmen pek çok ilgi çekici sistemin ışığı geçirmemesidir.
Bordeaux Üniversitesi’nden Raphael Saiseau, meslektaşlarıyla birlikte, bir faz geçişini gözlemlemelerine ve yerçekiminin dinamikleri üzerindeki beklenmedik ve hassas etkisini ortaya çıkarmalarına olanak tanıyan akıllı bir deney geliştirdiler.
Sistem, homojen bir fazın aniden kritik bir noktadan geçerek denge dışı bir duruma zorlanmasıyla simetrinin bozulduğu bir aşamaya girer. Faz ayrımı, bir fazın alanının diğerine geri döndürülemez çekirdeklenmesi ve büyümesinin bir sonucu olarak ilerler. Bu sistemler, gevşeme zamanının termodinamik dengeye olan farklılığından dolayı hiçbir zaman gerçek dengeye ulaşamaz. Bunun yerine, artan tipik uzunluk ölçeğine sahip bir alan boyutları dağılımı oluşturulur. Ölçekle değişmeyen etki alanı büyümesi, etki alanı kabalaşması olarak bilinen bir olgunun sonucudur.
Etki alanı büyümesi, yalnızca korunmuş sayıda bileşene sahip sistemlerde, her fazın çeşitli parçaları aralarında fiziksel olarak aktarıldığında mümkündür. Örneğin, bazı metalik alaşımlar spinodal bozulma olarak bilinen bir süreçle kendiliğinden iki faza ayrılır. Bir fazın toplu faz boyunca kütle difüzyonu, senkrotron radyasyonuna dayalı mikroskopi aracılığıyla izlenebilen taşımayı yönetir.
Daha sonra alan kabalaşmasına, Ostwald olgunlaşması adı verilen benzer bir olay eşlik eder. Bu, daha küçük alanların pahasına genişleyen daha büyük alanların sonucudur. Bu olgunun yaygın bir örneği, suyun dondurma yüzeyleri üzerinde yeniden kristalleşmesidir.
Yüzey gerilimi, en küçük küresel alanların bu “buharlaşma” sürecini yönlendirir ve bu alanların yarıçapının, 1/3 indeksli bir güç yasası olarak zaman içinde değişmesi beklenir [4]. Bununla birlikte, Ostwald olgunlaşmasını deneyimleyen deneysel sistemlerin çoğunluğu ışıkta görülemiyor, bu da bozunma dinamiklerini doğrudan tek bir alan boyutunda görmeyi imkansız kılıyor. Sonuç olarak, güç yasası tahmininin doğrudan bir testi hiçbir zaman yapılmamıştır.
Bu kısıtlamaları aşmak için Saiseau ve arkadaşları, şeffaf bir sözde ikili sıvı kombinasyonu kullanarak lazer ışınıyla manipüle edebilecekleri bir sıvı arayüz yarattılar. Karışmayan bir çözünen faz, geleneksel ikili karışımlarda bir solvent fazı ile birleştirilir. Her bir faz çeşitli bileşenlerden oluşmasına rağmen, sözde ikili sıvı karışımından iki karışmayan faz da oluşabilir. Araştırmacıların kullandığı karışımı oluşturan dört farklı bileşen; su, yağ, yüzey aktif madde ve yardımcı yüzey aktif maddeydi.
Grup, bu bileşenleri kullanarak bir yağ banyosunda seyreltilmiş 4 nm yağ içinde su misellerinden oluşan bir mikroemülsiyon üretti. Sıcaklık 38 °C’nin üzerine çıktığında, yağ solventinde emülsiyonun ağırlığının yüzde küçük bir kısmını oluşturan miseller faz ayrımına tabi tutuldu. Sıvı kombinasyon daha sonra her biri farklı misel konsantrasyonuna sahip olan iki faza ayrıldı.
Sıvı, yerçekiminin varlığında katmanlaştı; daha ağır faz daha yüksek misel konsantrasyonuna sahipken, daha hafif faz onun üzerinde yer alıyordu. Son derece düşük yüzey gerilimi nedeniyle, iki faz arasında ortaya çıkan ara yüzeyin manipüle edilmesi daha kolaydı. Bundan sonra araştırmacılar, Laplace basıncını veya menisküsün iç ve dış kısmı arasındaki net basınç farkını aşmaya yetecek kadar yüksek bir optik radyasyon basıncı oluşturmak amacıyla menisküse odaklanmak için bir lazer kullandılar. Bu teknik, sıvının genel stabilitesini etkilemeden, kapalı bir kap içindeki arayüzün stabilitesinin bozulmasına izin verdi.
Lazer, sürekli temasa hedeflendiğinde, aşağıdaki daha ağır faza nüfuz eden daha hafif fazdan dar bir sıvı jeti yarattı. Lazer kapatıldığında, sıvı akışı kararsız hale geldi ve tıpkı musluktan damlayan su gibi küçük damlacıklara bölündü (Şekil 2). Daha sonra damlacıklar, sıvı sütunu içinde seçilen bir konumda tek bir damla oluşana kadar lazer ışını tarafından bir kez daha optomekanik olarak manipüle edilebilir. Damla, çevredeki fazla termodinamik olarak dengesiz olduğundan, Ostwald’ın hemen olgunlaşmasıyla buharlaşmaya başladı. Damlacığın yarıçap bozulma oranı daha sonra doğrudan izlenebildi ve beklenen dinamiklerle karşılaştırılabildi.
Beklenen bozulma oranı, bu mekanizma üzerine yapılan bir düşünce deneyinde görülebilirdi. Ancak gerçek deney öyle olmadı. Tüm sıvılar doğal olarak yerçekimsel olarak daha yoğun tabakalaşma eğilimindedir. Bu eğilim, Bordeaux deneyinde derinlikle birlikte çözünen madde konsantrasyonunun artmasına yol açtı ve bu da damlacık bozunma hızının sütun yüksekliğine bağlı olmasına neden oldu.
Bu kafa karıştırıcı sorunu aşmak için bilim insanları uzayın mikro yerçekiminde deneyler yaptılar. Ancak bu tür araştırmalarda kullanılan örnekler Dünya’ya döndükten sonra dondurulup incelendiği için alan dinamiklerinin doğrudan izlenmesi mümkün değildir.
Saiseau ve arkadaşları yer çekimini göz ardı etmek yerine yerçekiminin etkisini bir modele entegre ettiler. Daha sonra bu modeli kullanarak, çözünen tabakalaşmanın damlacık bozulması üzerindeki etkisinin önemsiz hale geldiği koşulları belirlediler. Modelin belirlediği üç koşul şu şekildeydi: Damlacığın iki fazı ayıran menisküse yakın olması gerekiyordu, yerçekimsel kılcal damar uzunluğuna göre küçük olması gerekiyordu ve kritiklikten uzak olması gerekiyordu. Araştırmacılar, teorinin öngördüğü 1/3 bozunma üssünün ancak bu gereksinimler karşılandığında elde edilebileceğini gösterdi.
Bordeaux araştırması, buharlaşma-yoğunlaşma mekanizmalarının, teorik olarak tahmin edilen evrensel ölçeklendirme ilkelerinden önemli ölçüde daha karmaşık işleyişlere sahip olabileceğini göstermektedir. Yerçekimi mevcut olduğunda daha zengin dinamikler üretilir çünkü kılcal kuvvetlerle rekabet eden kuvvetler eklenir.
Faz geçiş dinamiklerine yerçekimsel bileşenin dahil edilmesinin, yumuşak madde fiziği ve malzeme bilimindeki etki alanını genişleten fenomenlere ışık tutacağını umuluyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/104
