Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

APPLICATION OF A METHOD OF VISUALIZING THE TWO-LIQUID STRUCTURE OF QUANTUM LIQUIDS IN OXID MELTS TO RO, R3O4-B2O3 SYSTEMS

Borisov A.F. 1 Zabelin V.A. 1
1 The Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering
In this paper, we present a method of visualization that confirms the formation of a two-fluid structure in boron superfluid melts. The oxide melt is obtained by melting fine powder B2O3 with BaO or Co3O4 in the ratio: melt 1 BaO-1.0 %; B2O3-99.0 % mole; melt 2 Co3O4-1.0 %; B2O3-99.0 mol %. The melt 1 or melt 2 is placed in a platinum cell. After aging at a certain temperature, the original melt is spontaneously divided into a superfluid part (melt B2O3) contained in one vessel and a normal liquid in another container. Melts differ sharply in their physicochemical properties. The superfluid part is a transparent melt of boron oxide, while the initial melt 1 with the addition of barium oxide acquires a milky white color due to micro-wicking (stubby glass). It should be noted that in the small crucible a translucent ring is visible to the naked eye, 3mm thick. This phenomenon is associated with the introduction of ions into the superfluid liquid (injected), and quantum vortices having the shape of a ring form a semitransparent ring observed in the boron-barium superfluid part. On the whole, the optical effect is associated with the manifestation of the quantum properties of superfluid boron oxide melts. In the melt 2, with a color indicator, similar processes occur during the flow of the superfluid part. The normal part of the melt retains an intense blue-violet color, while the superfluid part completely discolores. It can be assumed that the processes taking place in superfluid liquids, in particular, the formation of a two-fluid structure in them, distinguishes them from thermomechanical processes occurring in normal liquids. The processes of differentiation of the two-fluid melt observed for the first time occur at the molecular level.
two-fluid structure
superfluid liquid
quantum liquid
zero values of entropy
the platinum cell
1. Adibaev B.M., Talgatkyzy M., Sultanova A. Sverkhtekuchest [Superfluidity]. Almanakh mirovoi nauki – Almanac of world science, 2016, no. 7(10), рр. 11-12. DOI: 10.18534/amn.2016.07.
2. Vasilev V.B. Sverkhprovodimost, sverkhtekuchest i nulevye kolebaniia [Superconductivity, superfluidity and zeropoint vibrations]. Moscow, Kniga po Trebovaniiu, 2012. 100 р.
3. Khalatnikov I.M. Teoriia sverkhtekuchesti [The Theory of Superfluidity]. Moscow, Nauka, 1971. 320 р.
4. Borisov A.F., Zabelin V.A. Novyi klass makroskopicheskikh kvantovykh zhidkostei na osnove oksidnykh rasplavov [A new class of macroscopic quantum liquids based on oxide melts]. Nizhny Novgorod, NNGASU, 2016. 88 р.
5. Toropov N.A., Barzakovskii V.P., Lapin V.V., Kurtseva N.N. Diagrammy sostoianiia silikatnykh sistem: spravochnik, vyp. 1. Dvoinye sistemy [Diagrams of the state of silicate systems: a handbook, vol. 1. Dual systems]. Moscow, Leningrad, Nauka, 1965. 546 р.
6. Patent № 2570885. Sposob vizualizacii dvuhzhidkostnoj struktury kvantovyh zhidkostej v oksidnyh rasplavah [The way of visualization of the two-fluid structure of quantum liquids in oxide melts] / A.F. Borisov, V.A. Zabelin. 2014116453/05; zajavl. 23.04.2014; opubl.10.12.2015, Bjul. № 34.

Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта в 1938 г. П.Л. Капицей [1].

За объяснение явления сверхтекучести в 1962 г. Лев Давидович Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике [2].

Двухжидкостная структура (далее ДС) была открыта Л.Д. Ландау [3] и рассматривается как один из дополнительных признаков сверхтекучести жидкости.

Визуализация ДС была разработана применительно к борным оксидным расплавам, содержащим небольшие примеси до 1 % мол. различных металлсодержащих добавок, и является новым физико-химческим методом идентификации признаков, характерных для сверхтекучих жидкостей.

Ранее полученные результаты по исследованию квантовых свойств в борных оксидных расплавах

В результате комплексного изучения физико-химических свойств борных оксидных расплавов в настоящее время установлены такие признаки сверхтекучести:

1. Нулевые значения изменения энтропии [4]. Согласно принципу Больцмана энтропия зависит от количества микросостояний в системе. Чем больше микросостояний, тем выше энтропия расплава. Системы с малым числом микросостояний – это системы, имеющие очень малую возможность конфигурирования, тогда как обладающие большим числом микросостояний – это системы, имеющие множество различных состояний. Энтропию в данном случае следует понимать как меру беспорядка. Можно говорить о том, что снижение количества микросостояний в системе ведёт к снижению энтропии. Отсюда следует вывод о том, что чем более упорядочена система, тем ниже у неё энтропия, то есть при Ω →0, ΔS → 0.

Проявление квантовых свойств возможно только в упорядоченных системах с минимальным числом микросостояний.

2. Перетекание сверхтекучего расплава в виде тончайшего поверхностного слоя.

3. Высокая склонность борных расплавов к формированию центральных квантовых воронок [4].

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

Прежде всего, необходимо отметить, что в борных оксидных расплавах чистый компонент оксид бора в жидком состоянии при определенных параметрах состояния является носителем квантовых свойств и сверхтекучей жидкостью [4].

Анализ систем B2O3 – R2O (где R2O – оксид металла) – B2O3 [4] позволяет установить следующие положения, которые, очевидно, являются общими:

1. При изучении количественного соотношения В3:В4 (где В3 и В4 – атомы бора с тройной и четверной координацией соответственно) при комнатной температуре приближается к 1, а количество четырехкоординированного бора составляет менее одного процента.

2. С увеличением температуры доля В3 еще более возрастает, а доля В4 уменьшается, и при температуре 950–1000 °С по данным термоэлектрических исследований доля В4 составляет десятые доли процента и менее.

3. При добавлении к чистому B2O3 щелочных компонентов концентрация трехкоординированного бора уменьшается (рис. 1, 2), а концентрация четырехкоординированного бора возрастает.

boris1.tif

Рис. 1. Диаграмма «ΔS, αTобщ – состав» системы К2O-B2O3 при температуре: 1 – 680 °С, 2 – 730 °С, 3 – 900 °С, boris1a.wmf – по данным перетекания

boris2.tif

Рис. 2. Диаграмма «ΔS, αTобщ – состав» системы Cs2O-B2O3 при температуре: 1 – 690 °С, 2 – 725 °С, 3 – 780 °С, 4 – 840 °С, 5 – 950 °С, boris1a.wmf – по данным перетекания

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

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

Сверхтекучие расплавы

Система

Наличие сверхтекучести

1 % K2O – 99 % B2O3

+

2 % K2O – 98 % B2O3

+

3 % K2O – 97 % B2O3

+

1 % Cs2O – B2O3

+

2 % Cs2O – 98 % B2O3

+

3 % Cs2O – 97 % B2O3

+

4 % Cs2O – 96 % B2O3

+

5 % Cs2O – 95 % B2O3

+

100 % B2O3

+

1 % BaO – 99 % B2O3

+

1 % Co3O4 – 99 % B2O3

+

6. Полученные результаты дают основание предполагать, что в бинарных системах типа R2O – B2O3 состав компоненты перетекающей жидкости представляет собой сверхтекучий B2O3 .

Методика и результаты исследований двухжидкостной структуры борных оксидных расплавов

Оксидный расплав получают путем плавления тонкодисперсного порошка B2O3 и допирующих добавок BaO или Со3О4 в соотношении

B2O3 – 99,0 мол. %

Оксид металла (далее МО) – 1,0 мол. %.

В исследованиях использовались два различных по составу расплава.

1. В2О3 – 99,0 % : ВаО – 1,0 % мол.

2. В2О3 – 99,0 % : Со3О4 – 1,0 % мол.

На диаграмме состояния [5] (рис. 3) состав 1 находится в крайней точке области ликвации. При варке стекла было установлено, что борно-бариевый расплав 1, оставаясь прозрачным при температуре выше 800 °С, при охлаждении подвергается микроликвации и приобретает равномерный заглушенный молочно-белый цвет. Это свойство и использовалось для визуализации двухжидкостной структуры расплава.

boris3.tif

Рис. 3. Диаграмма состояния системы BaO-B2О3

Методика эксперимента следующая: исследуемый расплав наплавляется в платиновой емкости и устанавливается в шахтную печь, нагретую до температуры 950 °С. Расплав выдерживается в печи до полного удаления пузырьков воздуха, после чего выливается на чистую и ровную поверхность и подвергается быстрому охлаждению. Полученный затвердевший расплав разбивается на мелкие части и загружается в ячейку (рис. 4). Ячейка состоит из двух тиглей, вставленных один в другой (диаметр дна малого тигля 13 мм, верхнего обода – 18 мм; диаметр дна большого тигля 20 мм, диаметр верхнего обода – 32 мм). Положение малого тигля фиксируется платиновой проволокой, во избежание его всплытия во время проведения опыта. Далее происходит постепенное наплавление исследуемого состава в ячейку до тех пор, пока объем расплава в большом тигле не достигает верхнего уровня малого тигля. Платиновая ячейка сверху накрывается крышкой. Подготовленная ячейка с помощью корзины опускается в трубчатую печь. При проведении эксперимента не допускается касания платиновой ячейкой стенок печи во избежание влияния блуждающих токов на результаты опыта. Исследуемый расплав выдерживается в печи от 30 минут. После охлаждения в ячейке наблюдаются следующие изменения. Исследуемый расплав в большом тигле приобретает молочно-белый оттенок, при этом перетекший расплав в малом платиновом тигле остается полностью прозрачным (рис. 4). Можно сделать вывод о том, что в малом тигле расплав представляет собой оксид бора.

Следует отметить одну интересную деталь. В малом тигле в сверхтекучей части стекла образуется хорошо видимое невооруженным глазом полупрозрачное колечко, толщиной 3 мм. Сопоставление наблюдаемого явления с аналогичным, которое было выявлено в работе [4] при исследовании жидкого Не II, позволяет установить природу этого эффекта. В данном случае оно связано с внедрением в сверхтекучую жидкость (инжектируемых) ионов, а квантовые вихри, имеющие форму кольца, формируют наблюдаемое в борно-бариевой сверхтекучей части полупрозрачное колечко толщиной 3 мм. В целом оптический эффект связан с проявлением квантовых свойств сверхтекучих борных оксидных расплавов.

Опыты проводились неоднократно и были получены абсолютно идентичные результаты:

– зафиксировано перетекание расплава из большого тигля в малый,

– в объеме перетекшего расплава наблюдается образование дымчатого правильного колечка толщиной 3 мм в каждом опыте. Колечко образуется самопроизвольно, без каких-либо дополнительных воздействий при охлаждении расплава. Совершенно очевидно, что его образование является результатом микроликвации небольшого участка (колечка) сверхтекучего расплава [6].

Для подтверждения процесса визуализации вторая серия опытов проводилась с расплавом оксида бора, окрашенного оксидом кобальта. С этой целью в расплав В2О3 вводился Со3О4 в количестве 1,0 % мол. Исходное борное стекло приобретало при этом интенсивную сине-фиолетовую окраску.

boris4.tif

Рис. 4. Платиновая ячейка для исследования сверхтекучести оксидных расплавов, где: Δ l – начальная разность уровней расплава в большом и малом тигле; 1 – малый платиновый тигель; 2 – большой платиновый тигель; 3 – керамическая крышка; 4 – проволочная корзина; 5 – оксидный расплав; 6 – керамическая трубка

После проведения опыта по перетеканию окрашенного расплава по приведенной выше методике (температура эксперимента 1000 °С, выдержка 60 минут) в ячейке наблюдались следующие изменения. Из ячейки 2 (рис. 4), наполненной окрашенным стеклом, произошло перетекание сверхтекучей части расплава в малый тигель. Расплав в малом тигле потерял сине-фиолетовую окраску и оказался полностью прозрачным и бесцветным. Именно такой результат ожидался нами перед проведением опыта.

Все это говорит о воспроизводимости процесса перетекания и подтверждает теоретическую модель двухжидкостной структуры Л.Д. Ландау в борных расплавах.

Выводы

1. Разработана методика выявления двухжидкостной структуры методом визуализации.

2. Установлена двухжидкостная структура в борных расплавах с присутствием в ней части легко перетекающей жидкости.

3. Представленные нами результаты могут объясняться наличием признаков физико-химических свойств сверхтекучей жидкости.

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

Наблюдаемые впервые процессы дифференциации двухжидкостного расплава протекают на молекулярном уровне.