Nietypowe właściwości delta-plutonu. Materiał łamiący fizyczne reguły
Zespół z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii przedstawił model wyjaśniający zachowanie delta-plutonu, czyli jednej z sześciu form krystalicznych tego pierwiastka. Ta faza stabilna występuje w zakresie od około 320 do 480 stopni Celsjusza i wykazuje szczególną właściwość: gdy temperatura rośnie, materiał zmniejsza swoją objętość. To zachowanie stoi w sprzeczności z typowymi reakcjami termicznymi większości substancji. Nietypowe właściwości termiczne utrudniały dokładne modelowanie zachowania plutonu. Tradycyjne podejścia nie radziły sobie z wyjaśnieniem, dlaczego pierwiastek ignoruje podstawowe zasady termodynamiki. Tymczasem precyzyjne przewidywanie reakcji materiału na zmiany temperatury ma fundamentalne znaczenie przy jego wykorzystaniu w reaktorach jądrowych czy innych zastosowaniach nuklearnych.
Czytaj też: Fizycy dokonali tego w temperaturze pokojowej. Ich sukces zmieni naukę
Przełom nastąpił dzięki uwzględnieniu w modelu fluktuacji magnetycznych w strukturze atomowej. Nowe podejście po raz pierwszy bierze pod uwagę, że stany magnetyczne atomów plutonu zmieniają się dynamicznie wraz z temperaturą. Jak podkreślają członkowie zespołu badawczego, ich model jest unikalny i nowatorski, ponieważ uwzględnia stany magnetyczne, które mogą fluktuować i zależeć od temperatury. W toku eksperymentów skupili się na energii swobodnej, która decyduje o stanie materiału w określonych warunkach. Wcześniejsze modele nie potrafiły poprawnie obliczyć tej wielkości dla delta-plutonu.
Niezwykły mechanizm i praktyczne implikacje. Od bezpieczeństwa po nowe materiały
Innowacją okazało się ujęcie zmienności orientacji magnetycznej elektronów. Gdy temperatura rośnie, nasilające się fluktuacje magnetyczne powodują zmniejszanie objętości materiału. Wyjaśnia to paradoksalne zachowanie obserwowane od dziesięcioleci w warunkach laboratoryjnych. Odkrycie ma znaczenie wykraczające poza czystą naukę. LLNL prowadzi badania plutonu w ramach amerykańskich programów bezpieczeństwa narodowego, gdzie dokładne przewidywanie zachowania materiałów nuklearnych jest niezbędne. Per Söderlind podkreśla, iż wiele wysiłku włada się w LLNL w przewidywanie zachowania plutonu. Pewność tych przewidywań zależy od głębokiego teoretycznego zrozumienia jego struktury elektronowej i energii swobodnej.
Czytaj też: Wielka zagadka rozwikłana. Naukowcy odkryli źródło ziemskich błysków gamma
Jeśli zaś chodzi o praktyczne zastosowania wynikające z dokonanych w ostatnim czasie postępów, to na długiej ich liście wymienia się chociażby projektowanie bezpieczniejszych reaktorów jądrowych, lepsze oceny procesów starzenia materiałów, optymalizację przechowywania odpadów radioaktywnych czy kontrolę jakości w produkcji pierwiastków radioaktywnych. Metodologia może znaleźć zastosowanie również w badaniach innych materiałów o skomplikowanych właściwościach magnetycznych, jak żelazo i jego stopy. Oczywiście minie jeszcze sporo czasu, zanim przełoży się to na praktyczne zastosowania w przemyśle. Badanie w tej sprawie zostało opublikowane w Reports on Progress in Physics i pokazuje, że nawet pozornie nieznaczące zjawiska – jak fluktuacje magnetyczne – mogą mieć fundamentalne znaczenie dla zrozumienia właściwości materiałów. Rozwiązanie zagadki plutonu stanowi ważny krok, choć wciąż pozostaje wiele do odkrycia w tej dziedzinie. To przypomina, jak złożone bywają pozornie proste zjawiska fizyczne i jak wiele tajemnic wciąż kryje materia w skali atomowej. A przecież wciąż wiele odkryć czeka na swoją kolej.