Negativan pritisak je retka pojava u fizici koju je teško otkriti. Koristeći optička vlakna ispunjena tečnošću i zvučne talase, istraživači sa Instituta Maks Plank za nauku o svetlosti (MPL) u Erlangenu sada su otkrili novi metod za njegovo merenje. U saradnji sa Lajbnicovim institutom za fotonske tehnologije u Jeni (IPHT), naučnici u istraživačkoj grupi kvantne optoakustike, koju vodi Birgit Stiller, mogu steći važne uvide u termodinamička stanja.
Kao fizička veličina pritisak se susreće u različitim oblastima: atmosferski pritisak u meteorologiji, krvni pritisak u medicini, pa čak i u svakodnevnom životu kod ekspres šporeta i u vakuumu zatvorenoj hrani. Pritisak se definiše kao sila po jedinici površine koja deluje okomito na površinu čvrste materije, tečnosti ili gasa. U zavisnosti od smera u kome sila deluje unutar zatvorenog sistema, veoma visok pritisak može dovesti do eksplozivnih reakcija u ekstremnim slučajevima, dok veoma nizak pritisak u zatvorenom sistemu može izazvati imploziju samog sistema.
Nadpritisak uvek znači da gas ili tečnost gura zidove svog kontejnera iznutra, poput balona koji se širi kada se doda više vazduha. Bez obzira da li je to visok ili nizak pritisak, numerička vrednost pritiska je uvek pozitivna u normalnim okolnostima.
Međutim, tečnosti pokazuju posebne karakteristike. Mogu postojati u specifičnom metastabilnom stanju koje odgovara vrednosti negativnog pritiska. U ovom metastabilnom stanju, čak i mali spoljni uticaj može dovesti do kolapsa sistema u jedno ili drugo stanje. Možete ga zamisliti kao da sedite na vrhu rolerkostera: najmanji dodir na jednoj ili drugoj strani vas tera da jurnete niz staze. U svom trenutnom istraživanju, naučnici ispituju metastabilno stanje tečnosti sa negativnim pritiskom.
Da bi to postigao, istraživački tim je kombinovao dve jedinstvene tehnike u studiji objavljenoj u Nature Phisics za merenje različitih termodinamičkih stanja. U početku su male količine — nanolitri — tečnosti bile kapsulirane u potpuno zatvoreno optičko vlakno, omogućavajući i visoko pozitivne i negativne pritiske. Nakon toga, specifična interakcija optičkih i akustičkih talasa u tečnosti omogućila je osetljivo merenje uticaja pritiska i temperature u različitim stanjima tečnosti.
Zvučni talasi deluju kao senzori za ispitivanje vrednosti negativnog pritiska, istražujući ovo jedinstveno stanje materije sa visokom preciznošću i detaljnom prostornom rezolucijom.
Uticaj negativnog pritiska na tečnost može se zamisliti na sledeći način: Prema zakonima termodinamike, zapremina tečnosti će se smanjiti, ali se tečnost zadržava u kapilari od staklenih vlakana adhezivnim silama, slično kao kapljica vode koja se lepi za tečnost. prst. Ovo dovodi do „istezanja“ tečnosti. Rastavljen je i ponaša se kao gumena traka koja se rasteže.
Merenje ovog egzotičnog stanja obično zahteva složenu opremu sa pojačanim merama predostrožnosti. Visoki pritisci mogu biti opasni, posebno sa toksičnim tečnostima. Ugljen-disulfid, koji su koristili istraživači u ovoj studiji, spada u ovu kategoriju. Zbog ove komplikacije, prethodne merne postavke za generisanje i određivanje negativnih pritisaka zahtevale su značajan laboratorijski prostor i čak su predstavljale smetnju u sistemu u metastabilnom stanju.
Sa metodom predstavljenom ovde, istraživači su umesto toga razvili malu, jednostavnu postavku u kojoj mogu da vrše veoma precizna merenja pritiska koristeći svetlosne i zvučne talase. Vlakno koje se koristi za ovu svrhu je samo onoliko koliko je debela ljudska kosa.
„Neki fenomeni koje je teško istražiti uobičajenim i utvrđenim metodama mogu postati neočekivano dostupni kada se nove metode merenja kombinuju sa novim platformama. Smatram da je to uzbudljivo“, kaže dr Birgit Stiler, šef istraživačke grupe za kvantne optoakustike u MPL-u.
Zvučni talasi koje koristi grupa mogu da detektuju temperaturu, pritisak i promene naprezanja veoma osetljivo duž optičkog vlakna. Štaviše, moguća su prostorno rešena merenja, što znači da zvučni talasi mogu da pruže sliku situacije unutar optičkog vlakna u rezoluciji centimetarske skale duž njegove dužine.
„Naš metod nam omogućava da steknemo dublje razumevanje termodinamičkih zavisnosti u ovom jedinstvenom sistemu zasnovanom na vlaknima“, kaže Aleksandra Popp, jedna od dva glavna autora članka. Drugi vodeći autor, Andreas Geilen, dodaje: „Merenja su otkrila neke iznenađujuće efekte. Posmatranje režima negativnog pritiska postaje sasvim jasno kada se posmatra frekvencija zvučnih talasa.“
Kombinacija optoakustičkih merenja sa čvrsto zatvorenim kapilarnim vlaknima omogućava nova otkrića u vezi sa praćenjem hemijskih reakcija u toksičnim tečnostima unutar inače teško istražnih materijala i mikroreaktora. Može da prodre u nova, teško dostupna područja termodinamike.
„Ova nova platforma sa potpuno zatvorenim tečnim jezgrom vlakana omogućava pristup visokim pritiscima i drugim termodinamičkim režimima“, kaže prof. Markus Šmit iz IPHT-a u Jeni, a dr Mario Kemnic, takođe iz IPHT-a u Jeni, naglašava: „Odličan je interes da se istraže i čak prilagode dalji nelinearni optički fenomeni u ovoj vrsti vlakana.“
Ovi fenomeni mogu otključati prethodno neistražena i potencijalno nova svojstva u jedinstvenom termodinamičkom stanju materijala. Birgit Stiller zaključuje: „Saradnja između naših istraživačkih grupa u Erlangenu i Jeni, sa njihovom stručnošću, jedinstvena je u sticanju novih uvida u termodinamičke procese i režime na maloj optičkoj platformi lakoj za rukovanje.“
