ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ПРОЯВЛЕНИЯ КВАНТОВЫХ СВОЙСТВ ОКСИДНЫХ РАСПЛАВОВ

Борисов А.Ф.¹, Забелин В.А.²

¹Д-р хим. наук, проф., заведующий кафедрой Техносферной безопасности  ГОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», ²Ассистент кафедры Техносферной безопасности, ГОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ПРОЯВЛЕНИЯ КВАНТОВЫХ СВОЙСТВ ОКСИДНЫХ РАСПЛАВОВ

Аннотация

В данной работе рассматривается квантовые свойства, наблюдаемые в борных оксидных расплавах. Исследования показали, что вещества, обладающие нулевой энтропией, проявляют квантовые свойства, такие как: сверхтекучесть, двухжидкостная структура, образование квантовых воронок. В данной работе рассмотрены основные признаки проявления квантовых свойств оксидных расплавов. Открытие нового класса сверхтекучих материалов позволит проводить поисковые фундаментальные исследования в области сверхпроводимости и аномальной теплопроводности.

Ключевые слова: квантовые воронки, сверхтекучесть, признаки сверхпроводимости в оксидных расплавах, энтропия, конденсат Бозе-Эйнштейна.

Borisov A.F.¹, Zabelin V.A.²

¹PhD in Chemistry, Professor, Head of the Department of Technosphere Security of the State Educational Institution of Higher Education – Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, ²Assistant of the Department of Technosphere Security of the State Educational Institution of Higher Education – Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

MAIN FEATURES OF QUANTUM PROPERTIES OF OXIDE MELTS

Abstract

The quantum properties of boron oxide melts are considered in the paper. The research has shown that substances with zero entropy have quantum properties, such as superfluidity, two-fluid structure, quantum funnels forming. In this paper, we consider the main features of the quantum properties of oxide melts. The discovery of a new class of superfluid materials allows to perform fundamental research in the field of superconductivity and anomalous thermal conductivity.

Keywords: quantum funnels, superfluidity, signs of superconductivity in oxide melts, entropy, Bose-Einstein condensate.

Сверхтекучая жидкость – жидкость, которая протекает через узкие щели и капилляры без трения, при этом протекающая часть жидкости обладает энтропией, равной нулю.  Данное явление было открыто Капицей при изучении им свойств жидкого гелия при сверхнизких температурах. Сверхтекучее состояние, согласно представлениям классической механики, достигается благодаря понижению кинетической энергии частиц. Установлено, что высокой степени упорядоченности структуры соответствует нулевая энтропия  сверхтекучего состояния системы.

Многочисленные экспериментальные данные, полученные при изучении свойств борных оксидных расплавов показали, что особую роль в образовании сверхтекучести играют поверхностные явления. Самопроизвольная структуризация поверхностного слоя расплава  наблюдается только для составов, где атомы бора обладают тройной координацией [1],[6].

При воздействии температурного градиента сверхтекучая жидкость перемещается только в направлении от более нагретой части к более холодной. В результате адсорбции, на смену перетекшей сверхтекучей жидкости,  образуется новая сверхтекучая компонента такой же конфигурации. Экспериментально установлено, что в В₂О₃ и в борных расплавах с содержанием оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов до 6,0 % мол. сверхтекучей компонентой является расплав  В₂О₃ с тройной координацией. Чистый расплав  В₂О₃ состоит  из сверхтекучей и нормальной компонентов. Разработана эффективная методика их разделения [2]. Добавление к борному ангидриду оксидов щелочных или щелочно-земельных металлов сопровождается появлением четырех- координированных атомов бора с валентными связями в трех различных измерениях и образованием структурных элементов с трехмерной протяженностью. Структурные элементы, обладающие четверной координацией, встраиваясь в двухмерные слои, обуславливают взаимодействие поверхностного двухмерного слоя с нижележащим объемом обычного расплава. В конечном случае это приводит к потере подвижности  и сверхтекучести  поверхностного слоя в связи с образованием между слоями сильных взаимодействий.

Переход в сверхтекучее состояние при температуре Т_s  представляет собой фазовый переход  II рода, который можно наблюдать на диаграммах «свойство-температура». Исследование термоэлектрических процессов является эффективным методом при определении расплавов, обладающих признаками сверхтекучей и сверхпроводящей жидкости. (интегральный метод измерения)[7].

Проведенные нами опыты показывают, что в расплавах системы К₂О- В₂О₃ фазовый переход II рода происходит  в температурном интервале 770-1000^оС (коэффициент термо-ЭДС становится равным нулю).

Полученные экспериментальные данные не позволяют пока установить верхний предел Т_s. Возможно, что его просто не существует. Изучение результатов термоэлектрических исследований свыше  20  различных стеклообразующих систем показывает общую тенденцию  уменьшения коэффициента термо-ЭДС с увеличением температуры [5], [7]. Можно сделать вывод о том, что в стеклообразующих оксидных расплавах энтропия стремится к нулю при увеличении температуры, и при определенной температуре может достигать нулевых значений, идентифицируя появление в расплаве  сверхтекучей компоненты. В результате экспериментов были получены «безэнтропийные» стеклообразующие расплавы при температуре  свыше 800-1000^оС.

Анализ исследований, связанных с изучением квантовых свойств расплавов позволяет сделать следующие выводы и прогнозы:

1. Совместное рассмотрение свойств низкотемпературного класса сверхтекучих гелиевых жидкостей и высокотемпературного класса борных оксидных расплавов, обладающих сверхтекучестью и квантовыми свойствами показывает, что существует большая общность в проявлении различных свойств этих двух классов жидкостей. Борные оксидные расплавы обладают целым рядом самых главных признаков сверхтекучих квантовых жидкостей.
2. Общим признаком двух вышеприведенных классов жидкостей, является, прежде всего, нулевая энтропия, что говорит о достижении минимального уровня потенциальной энергии рассматриваемых макроскопических объектов. У жидкого гелия сверхтекучее состояние определяется сверхнизкой температурой, а у борных оксидных расплавов сверхтекучее состояние достигается при температурах 700^оС и выше и является результатом саморегулируемой структуризации и максимальной степени упорядоченности поверхностного слоя расплава.

 Процессы структуризации протекают как в низкотемпературных так и высокотемпературных сверхтекучих жидкостях, а результатом этих процессов является формирование конденсата Бозе-Эйнштейна.

3. Существование сверхтекучей жидкости при температуре свыше 1000^оС говорит о наличии сверхтекучести при высоких температурах, чего раньше не наблюдалось.
4. Перетекание сверхтекучей компоненты в виде тончайшего слоя из одного сосуда в другой при наличии общей твердой поверхности является характерным квантовым свойством, как для криогенных гелиевых сверхтекучих жидкостей, так и для высокотемпературных сверхтекучих борных оксидных расплавов. При этом отмечается строгая корреляция таких свойств как энтропия жидкости и ее сверхтекучесть.
5. Двухжидкостная структура (модель Ландау) в борных сверхтекучих расплавах установлена экспериментально на основе методики визуализации процесса перетекания сверхтекучего компонента расплава [3]. Эксперименты проводились с составами расплавов BaO-B₂O₃, Co₃O₄-B₂O₃. Они имеют молочную и темно-фиолетовую окраску соответственно. В результате опытов наблюдалось перетекание прозрачного расплава в малый тигель. Это говорит о том, что сверхтекучая часть расплава, за которую отвечает B₂O₃, отделилась от нормальной компоненты и заполнила малый тигель. При этом расплав в большом тигле остался молочного и фиолетового цвета соответственно.
6. Многочисленные эксперименты по изучению перечисленных выше свойств в обычных расплавах убедительно показывают отсутствие в них нулевой энтропии, способности к перетеканию, а, следовательно, и  двухжидкостной структуры.

Приведенные выше результаты дают основание считать, что борные оксидные расплавы представляют собой новый класс сверхтекучих квантовых жидкостей, которые могут быть получены в макроскопических системах в области высоких температур существования стеклообразующих расплавов.

7. Как показывают наши экспериментальные данные квантовые воронки образуются в расплавах в интервале от 0,0 до 20,0 % мол. содержания К₂О, подтверждая квантовую природу жидкостей, в то время как по результатам перетекания расплавов при температуре 850-900°С составы с содержанием К₂О более 3,0 % мол. уже теряют свою способность к перетеканию и, следовательно, не обладают квантовыми свойствам. Принимая во внимание результаты исследования расплавов с преобладающим содержанием в них оксидов щелочных металлов можно сказать, что границы сверхтекучих жидкостей составляют в системе К₂О -В₂О₃ от 0,0 до 3,0 мол. % К₂О и от 50 мол. % К₂О и выше.
8. Образование квантовых воронок.

Прогнозы Л.Д.Гинзбурга и В.А.Литтла [8], [4] о возможности создания квантового состояния вещества при сверхвысоких температурах находят свое экспериментальное подтверждение.

Список литературы / References

1. Патент (RU 2470864 C2): Борисов А.Ф., Кислицына И.А. Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей. 27.12.2012 г.
2. 2. Патент на изобретение № 2524396. Способ получения квантовых жидкостей - сверхтекучих оксидных расплавов. Авторы: Борисов А.Ф., Копосов Е.В., Буньков М.М., Забелин В.А., Кислицына И.А., ННГАСУ, 2013 г.
3. 3. Патент на изобретение № 2570885. Способ визуализации двухжидкостной структуры квантовых жидкостей в оксидных расплавах. Авторы: Борисов А.Ф., Забелин В.А., ННГАСУ, 2015 г
4. Little W.A.-Phys. Rev. Ser. A, 1964, V. 134, p. 1416.
5. Ахлестин Е.C. Применение метода термо-ЭДС для изучения свойств и структуры силикатных расплавов: дис…. канд. тех. наук/ Ахлестин Е.С.-Горький: Горьковский политехнический институт им. А.А.Жданова., 1966. -173 с.
6. Борисов А.Ф., Кислицына И.А.Проявление признаков квантововых свойств жидкости в оксидных расплавах по результатам термоэлектрических исследований / А.Ф.Борисов, И.А.Кислицына // «Приволжский научный журнал». - Н.Новгород.: ННГАСУ, 2011. -№ 4,- С. 110-117
7. Борисов А.Ф. Концентрационные и термические цепи с платиновыми электродами и оксидными электролитами: дис…. доктора хим. наук / Борисов Анатолий Федосеевич. – Свердловск: Уральский научный центр, институт электрохимии АН СССР., 1981.-273с.
8. Гинзбург В.Л., Жарков Г.Ф. Термоэлектрические эффекты в сверхпроводниках/ В.Л. Гинзбург, Г.Ф. Жарков // «Успехи физических наук».- М.: УФН, 1978. - Май, - том 125, - вып. 1, - С.19-56.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Patent (RU 2470864 C2): Borisov A.F., Kislitsyna I.A. Sposob polucheniya oksidnykh rasplavov, obladayushchikh priznakami sverkhprovodiashchikh zhidkostey [Method for production of oxide melts with the superconducting liquids characteristics]. 12/27/2012 [In Russian]
2. Patent of invention No 2524396. Sposob polucheniya kvantovykh zhidkostey – sverkhtekuchikh oksidnykh rasplavov [Method for obtaining quantum liquids – superfluid oxide melts]. Authors: Borisov A.F., Koposov E.V., Bunkov N.N., Zabelin V.A., Kislitsyna I.A., NNGASU 2013 [In Russian]
3. Patent of invention No. 2570885. Sposob vizualizatsii dvukhzhidkostnoy struktury kvantovykh zhidkostey v oksidnykh rasplavakh [Method for visualizing two-fluid structure of quantum liquids in oxide melts]. Authors: Borisov AF, Zabelin VA, NNGASU, 2015 [In Russian]
4. Little W.A.-Phys. Rev. Ser. A, 1964, V. 134, p. 1416.
5. Akhlestin E.C. Primeneniye metoda termo-EDS dlia izucheniya svoystv i struktury silikatnykh rasplavov [Using thermal electromotive force method for study of properties and structure of silicate melts]: Dissertation of Ph.d. in technical sciences / Akhlestin E.S.-Gorky: Gorky Polytechnic Institute. A.A. Zhdanova., 1966.-173 p. [In Russian]
6. Borisov A.F., Kislitsyna I.A. Proyavleniye priznakov kvantovykh svoistv zhidkosti v oksidnykh rasplavakh po rezultatam termoelektricheskikh issledovaniy [Manifestation of signs of quantum properties of liquid in oxide melts based on the results of thermoelectric research] / A.F. Borisov, I.A. Kislitsyna // Privolzhsky Scientific Journal. – Nizhny Novgorod: NNGASU, 2011.-No. 4, - P. 110-117 [In Russian]
7. Borisov A.F. Kontsentratsionniye i termicheskiye tsepi s platinovymi electrodami i oksidnymi elektrolitami [Concentration and thermal chains with platinum electrodes and oxide electrolytes]: Dissertation of Doctor in Chemical Sciences / Borisov Anatoly Fedoseevich. - Sverdlovsk: Ural Scientific Center, Institute of Electrochemistry, USSR Academy of Sciences., 1981. – 273p. [In Russian]
8. Ginzburg V.L., Zharkov G.F. Termoelektricheskiye effekty v sverkhprovodnikakh [Thermoelectric effects in superconductor] / V.L. Ginzburg, G.F. Zharkov // Uspekhi Fizicheskikh Nauk [Advances of psysical sciences] – Moscow: UFN, 1978. - May 125, V. 1 - P. 19-56. [In Russian]