Российские ученые исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия. Работа опубликована в The Journal of Chemical Physics. Исследование ученых из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ).

Теплоемкость (поглощаемое количество теплоты при малом изменении температуры) вещества зависит от того, каким образом его частицы взаимодействуют друг с другом. Если связи между частицами сильные, как в кристаллах, то теплоемкость будет одна, если взаимодействие слабое, как в газах, — другая. Авторы статьи исследовали системы, в которых тип связи между частицами зависит от расстояния между ними. Такое взаимодействие встречается в кристаллах, составленных из коллоидных частиц (нерастворимых частиц в растворе) или макромолекул.

«Это могут быть шарики из оксида кварца с нарощенными на них «шубками» из полимеров. Если частицы оксида друг с другом не слипаются, то, когда контакта нет, частицы движутся свободно, а если они контактируют, то начинают упруго отталкиваться. Так и возникают эти силы с ограниченным радиусом действия», – пояснил ведущий научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана Станислав Юрченко.

В подобных системах частицы отталкиваются друг от друга вблизи, но при удалении на некоторое расстояние перестают взаимодействовать, то есть система занимает промежуточное положение между двумя описанными типами кристаллов – взаимодействующих и невзаимодействующих частиц. Интуитивно кажется, что значение теплоемкости должно лежать между двумя значениями для этих типов, но оно может превышать заданную величину.

Рост теплоемкости происходит из-за того, что элементы системы с таким сложным характером взаимодействия постоянно переходят из одного состояния в другое: частицы сближаются и удаляются в процессе теплового движения. Аномалию авторы работы объясняют конкуренцией двух эффектов. Они проявляются, когда частицы почти не взаимодействуют друг с другом, как в кристалле твердых сфер, и когда частицы постоянно находятся в упругом контакте между собой.

Описанный механизм может объяснить и замеченные раньше случаи, когда теплоемкость превышает заданную величину, например, у свинца вблизи температуры плавления и у аргона. В своей работе ученые описали аномалии на основе результатов симуляций и теоретических исследований, экспериментов для его проверки и уточнения пока не проводилось.

Работа важна для лучшего понимания динамики в различных средах, таких как макромолекулярные и коллоидные кристаллы.

«Наблюдаемые свойства кристаллов диктуются их динамикой, а она, в свою очередь, определяется взаимодействием между частицами. То, что мы увидели — это новый класс аномалий. Мы надеемся, что это будет полезно тем, кто занимается физикой кристаллов, изучением их динамики и тепловых свойств», — добавил Станислав Юрченко.

По словам соавтора статьи академика Вадима Бражкина, на его памяти

«это одна из немногих работ, которая сделана на таком высоком уровне и в столь сжатые сроки. Более того, это одна из редких публикаций, которая с первого раза получила полностью положительные отзывы рецензентов, вообще не содержащие замечаний».

«Это говорит о хорошем уровне и высоком потенциале молодежной группы из МГТУ», – добавил академик.