金屬氧液態鈉原子越少,熔點越高金屬氧 April 4, 2001在一百二十萬個大氣壓左右的高壓以及絕對溫度四千五百度的極端環境下,美國 Lawrence Livermore 國家實驗室的科學家首次觀測到液態氧具有金屬性。
類似 1996 年 William Nellis 在 Lawrence Livermore 實驗室首先製備金屬氫的方法,以 Marina Bastea 為首的科學家將液態氧置於以藍寶石單晶製成的容器中,再以高速投射體撞擊容器產生震波。當震波在器壁間來回反射時,便將樣本緩慢地加壓。整個過程接近熱力學的等熵壓縮 (isentropic compression),最終的高溫高壓實驗環境大約可以維持 100~200 ns 左右。
Bastea 等人認為這種極端條件下的液態氧與一些主成分為氧的巨型行星核心環境相似,實驗所觀察到的金屬性或許可以為這類行星的磁場來源提供一些訊息。此外這項實驗也為相關的理論工作帶來新的挑戰,因為截至目前為止液態氧在高壓下的金屬—非金屬相變機制仍然沒有理論可供解釋。
室溫下的液態鈉Jul 18, 2005 在常壓下,鈉的熔點接近 400K(室溫約 300K)。但是當壓力增加到 118 GPa 時(約百萬倍的大氣壓),熔點竟然降到室溫。這實驗使我們能一窺鹼金族元素其背後複雜的一面。
一般來說,我們常以自由電子模型來分析鹼金族元素的性質,這是因為它們的價電子只有一個非局域的 s 電子。但是在一些極端的條件下(如施以高壓),電子結構發生改變,這時候材料將會出現令人訝異的特殊性質,比方說 鋰在高壓時會展現超導性 。這類奇特的物性是無法以簡單的自由電子模型來解釋。一組美國的科學家在研究鈉在高壓下的熔點變化時,也發現到奇特的現象--壓力升高,熔點反而下降。
在大部分的材料中,原子間的鍵結會因壓力的增加,而更能抵抗熱擾動,因此熔點會隨著壓力的增加而上升。相對的,熔點隨著壓力的升高而下降(或稱為負的熔化曲線)的情況就不是那麼多了。其中最為人熟知的例子是水--當冰所受的壓力上升時,熔點會下降,溜冰手就是利用這樣的原理,用冰刀對腳下的冰製造高壓,熔化出來的水膜可讓溜冰手溜得更快更平順。
這次的實驗中,科學家們使用 piston-cylinder Mao-Bell diamond anvil cells 設備在高溫高壓的環境進行實驗,同時使用同步輻射光源對鈉樣品進行繞射測量,觀測其晶體結構與熔化的行為。在壓力低於 65 GPa 時,鈉固體呈 bcc 結構;壓力高於 65 GPa 時則轉變成 fcc 結構。當壓力較低時,鈉的熔點隨壓力的增加而升高;壓力在 31 GPa 時有最高的熔點 1000K。接著當壓力繼續增加時,熔點反而隨之下降。當壓力到達 118 GPa 熔點降到最低,約 300K 左右。
對於一些鹼土族與比較重的鹼金族元素而言,在高壓之下晶體結構與熔點的變化常以 s-d 電子軌域轉變的模型來解釋。但是這模型不足以解釋鋰鈉等較輕的鹼金族元素,因為它們的 d 軌域離 s 軌域太遠。本實驗的作者們傾向於另一種叫做 Hume-Rothery 模型來解釋鈉在高壓下的複雜行為。這種模型認為當費米面靠近布里淵區時,壓力增加會讓兩者之間出現交互作用,導致電子結構的重組與物性的轉變。
就算是看來簡單的材料,在極端的環境下也可能展現出人意表的行為。這個實驗就是絕佳範例。
原子越少,熔點越高 Dec 03, 2003科學家發現由十七個鎵原子所組成的原子團,與目前的理論預測相反,其熔點居然比固態的鎵來的高的多。
根據現行理論計算,原子團越小,其熔點也相隨著原子團的體積大小而減小。 Indiana University的G. A. Breaux等人利用鎵原子團來進行實驗。他們利用在系統中灌入氦氣來當作加熱源,用觀察鎵原子團的「分解」視為判定熔化的標準。實驗發現固態的鎵在303K時便會熔化,由三十九到四十個原子所組成的原子團大約在550K時熔化,不過僅有十七個鎵原子的原子團則是在加熱到800K時也沒有熔化的跡象。目前的理論無法解釋為什麼這麼小的鎵原子團在這樣高的溫度下仍不會分解。這顯示許多在巨觀世界下的物理性質在奈米尺度下均會有不同的表現,需要更多的實驗及理論來了解。
G. A. Breaux et al., Physical Review Letters, upcoming article