Три агрегатных состояния вещества, которые мы изучали на физике в школе, мягко говоря не отражают реальное многообразие возможных состояний материи в природе. Мы уже обсуждали такие штуки, как плазма или аморфное состояние. Говорили про невероятный конденсат Бозе‑Эйнштейна. Но на этом список не кончается!

Есть и ещё одно (или как минимум одно) очень интересное состояние вещества, которое называется сверхкритическая жидкость. Этого состояния не получится достичь простым кипячением воды в чайнике или прочими сподручными простыми методами.

Сверхкритическая жидкость может существовать только при высоких давлениях и высоких температурах.

Термин «критическая» выбран не случайно. Тут нужно вспомнить диаграммы фазового равновесия. Там, как это водится, обозначены все возможные фазы и всегда есть точка, которая называется критической. Выше этой точки и будет наблюдаться сверхкритическая жидкость. В самой точке пропадает различие между фазой жидкости и фазой газа.

Представьте себе обычную жидкость (пусть это будет вода), которая находится в некотором герметичном сосуде. Над поверхностью этой жидкости будет находиться воздух и некоторое количество водяного пара.

Если полностью откачать воздух над поверхностью воды, то в сосуде останется только жидкость и вакуум над ней. Очевидно, что некоторая часть имеющейся воды начнет парить и над поверхностью будет ещё и водяной пар. Рассматриваемая система будет состоять из пара от воды (без примесей воздуха) и жидкой воды.

При нагревании системы будет увеличиваться количество воды в парообразном состоянии, а вода в жидком состоянии расширится. Давление в ёмкости начнёт расти. При дальнейшем нагревании мы будем наблюдать ещё больший рост количества и объема газа и ещё большее увеличение объема воды с уменьшением её количества (переходом в газ). Плотность воды будет падать, а плотность газа над водой расти.

В какой‑то момент будет установлено равновесие между водой и паром над ней. Плотность воды станет равной плотности пара над ней, а структура будет одинаковой и равномерной.

Это и будет сверхкритическая жидкость.

Сверхкритической является жидкость, у которой «стёрто» различие между жидким агрегатным состоянием и газообразным агрегатным состоянием. Она имеет среднюю плотность для всей системы, а частицы располагаются таким образом, что эта конструкция имеет общие черты и с газом, и с жидкостью. Также это состояние называется «сверхкритический флюид».

Сверхкритическая жидкость — это уже не жидкость, но ещё и не газ.

На практике и без сосуда из примера, такое состояние может быть достигнуто только при соответствующем конкретному веществу давлении и температуре. Как правило, это очень высокие температуры и давления. При этом давление должно быть ниже, чем необходимо для перехода вещества в твёрдое агрегатное состояние.

Это состояние имеет множество практических прикладных применений. Встретить в природе такое состояние вещества можно, например, на других планетах, где сочетаний условий позволило превратить атмосферу в такое состояние.

На практике такая специфическая конструкция позволяет получать весьма специфические свойства. В итоге жидкость в сверхкритическом состоянии используется, например, в химчистках, так как обладает отличной активностью и легко разрушает пятна. В лабораторных экспериментах такое состояние тоже интересно. Например, так можно «выпаривать» наночастицы и получать наноматериалы. При переходе к граничному состоянию, имеющиеся прочные включения начинают переходить в нано диапазон и их можно потом экстрагировать.

Традиционно приглашаю всех подписаться на Telegram‑канал моего проекта, где ещё больше научно‑популярных материалов.