Supergegloeid goud weerstaat 'entropie-ramp': Nieuwe methode daagt gevestigde natuurkunde uit

23 juli 2025

door Erin Woodward, SLAC National Accelerator Laboratory

gedit door Gaby Clark, beoordeeld door Andrew Zinin

wetenschappelijk redacteur

hoofdredacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gefactcheckt

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

gecorrigeerd

Onderzoekers die voor het eerst rechtstreeks de temperatuur van atomen in extreem hete materialen hebben gemeten, hebben per ongeluk een decennia oude theorie weerlegd en ons begrip van oververhitting omvergeworpen.

Het is berucht moeilijk om de temperatuur van echt hete dingen te meten. Of het nu gaat om het kokende plasma in onze zon, de extreme omstandigheden in de kern van planeten of de verpletterende krachten die binnenin een fusiereactor spelen, wat wetenschappers 'warm dicht materiaal' noemen, kan honderdduizenden graden kelvin bereiken.

Weten hoe warm deze materialen precies zijn, is cruciaal voor onderzoekers om dergelijke complexe systemen volledig te begrijpen, maar het meten van deze waarden was tot nu toe vrijwel onmogelijk.

'We hebben goede technieken voor het meten van de dichtheid en druk van deze systemen, maar niet voor temperatuur,' zei Bob Nagler, wetenschappelijk medewerker bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het ministerie van Energie. 'In deze studies zijn de temperaturen altijd schattingen met enorme foutmarges, wat onze theoretische modellen echt tegenhoudt. Het is een probleem dat al tientallen jaren bestaat.'

Nu hebben onderzoekers voor het eerst gerapporteerd in het tijdschrift Nature dat ze de temperatuur van atomen in warm dicht materiaal rechtstreeks hebben gemeten.

Terwijl andere methoden vertrouwen op complexe en moeilijk te valideren modellen, meet deze nieuwe methode de snelheid van atomen en daarmee de temperatuur van het systeem rechtstreeks. Hun innovatieve methode verandert nu al ons begrip van de wereld: in een experimenteel debuut verhitte het team vast goud ver boven de theoretische limiet, waarbij vier decennia gevestigde theorie onverwacht werd omgedraaid.

Nagler en onderzoekers van SLAC's Matter in Extreme Conditions (MEC) instrument hebben dit onderzoek samen met Tom White, universitair hoofddocent natuurkunde aan de University of Nevada, Reno, geleid. De groep omvat onderzoekers van Queen's University Belfast, de European XFEL (X-ray Free-Electron Laser), Columbia University, Princeton University, University of Oxford, University of California, Merced en de University of Warwick, Coventry.

Al bijna een decennium werkt dit team eraan een methode te ontwikkelen die de gebruikelijke uitdagingen van het meten van extreme temperaturen omzeilt, met name de korte duur van de omstandigheden die deze temperaturen in het laboratorium creëren en de moeilijkheid om te kalibreren hoe deze complexe systemen andere materialen beïnvloeden.

'Eindelijk hebben we een directe en ondubbelzinnige meting gedaan, waarmee een methode is aangetoond die door het hele veld kan worden toegepast,' zei White.

Onder extreme omstandigheden, zoals die in de kern van planeten of in exploderende sterren, kunnen materialen andere exotische fasen betreden met unieke kenmerken. Bij SLAC bestuderen onderzoekers enkele van de meest extreme en exotische vormen van materie ooit gemaakt, in detail zoals nooit eerder mogelijk.

Bij het MEC-instrument van SLAC gebruikte het team een laser om een monster van goud te oververhitten. Terwijl de hitte door het nanometerdunne monster flitste, begonnen de atomen ervan te trillen met een snelheid die rechtstreeks verband hield met hun stijgende temperatuur. Het team stuurde vervolgens een puls van ultraheldere röntgenstralen van de Linac Coherent Light Source (LCLS) door het oververhitte monster. Toen ze afketsten op de trillende atomen, verschoven de frequenties van de röntgenstralen lichtjes, waardoor de snelheid van de atomen en daarmee hun temperatuur zichtbaar werd.

'De nieuwe temperatuurmeettechniek die in deze studie is ontwikkeld, toont aan dat LCLS aan de voorhoede staat van het onderzoek naar laser-verhitte materie,' zei Siegfried Glenzer, directeur van de divisie High Energy Density Science bij SLAC en medeauteur van het artikel. 'LCLS, in combinatie met deze innovatieve technieken, speelt een belangrijke rol bij het bevorderen van de wetenschap van hoge-energiedichtheid en Nieuwe toepassingen zoals inertiale fusie.'

Het team was verheugd dat ze deze techniek met succes hadden gedemonstreerd - en toen ze dieper in de gegevens keken, ontdekten ze iets nog spannenders.

'We waren verrast om een veel hogere temperatuur in deze oververhitte vaste stoffen te vinden dan we aanvankelijk hadden verwacht, wat een lang bestaande theorie uit de jaren 1980 weerlegt,' zei White. 'Dit was niet ons oorspronkelijke doel, maar daar gaat de wetenschap over - het ontdekken van nieuwe dingen waarvan je niet wist dat ze bestonden.'

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoeken die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

Elk materiaal heeft specifieke smelt- en kookpunten, die de overgang van vast naar vloeibaar en vloeibaar naar gas markeren. Er zijn echter uitzonderingen. Bijvoorbeeld, wanneer water snel wordt verwarmd in zeer gladde containers - zoals een glas water in de magnetron - kan het 'overspannen' worden, waarbij het temperaturen boven de 100 graden Celsius kan bereiken zonder daadwerkelijk te koken. Dit gebeurt omdat er geen ruwe oppervlakken of verontreinigingen zijn om de vorming van luchtbellen te veroorzaken.

Maar dit trucje van de natuur brengt een verhoogd risico met zich mee: hoe verder een systeem afwijkt van zijn normale smelt- en kookpunten, hoe kwetsbaarder het is voor wat wetenschappers een catastrofe noemen - een plotselinge aanval van smelten of koken die wordt veroorzaakt door een lichte verandering in de omgeving. Zo zal water dat in de magnetron is overspannen explosief koken bij verstoring, met potentieel ernstige brandwonden als gevolg.

Hoewel sommige experimenten hebben aangetoond dat het mogelijk is om deze tussenliggende limieten te omzeilen door materialen snel te verwarmen, 'werd de entropie-catastrofe nog steeds beschouwd als de uiteindelijke grens,' legde White uit.

In hun meest recente onderzoek ontdekten het team dat het goud was overspannen tot een verbazingwekkende 19.000 kelvin (33.740 graden Fahrenheit) - meer dan 14 keer zijn smeltpunt en ruim voorbij de voorgestelde entropie-catastrofelimiet - terwijl het zijn vaste kristallijne structuur behield.

'Het is belangrijk om te verduidelijken dat we de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica niet hebben geschonden,' zei White met een lach. 'Wat we hebben aangetoond is dat deze rampen kunnen worden vermeden als materialen extreem snel worden verwarmd - in ons geval, binnen biljoenste van een seconde.'

De onderzoekers geloven dat het snelle verwarmen ervoor heeft gezorgd dat het goud niet uitzette, waardoor het zijn vaste toestand behield. De bevindingen suggereren dat er mogelijk geen bovengrens is voor overspannen materialen, indien snel genoeg verwarmd.

SLAC maakt onderzoek mogelijk naar materialen voor fusie-energiecentrales en fusiebrandstofdoelen, evenals atomaire observaties van fusiereacties.

Nagler merkte op dat onderzoekers die zich bezighouden met warm dichte materie waarschijnlijk al jaren de entropie-catastrofelimiet hebben overschreden zonder dat ze het doorhadden, vanwege het ontbreken van een betrouwbare methode om de temperatuur rechtstreeks te meten.

'Als ons eerste experiment met deze techniek heeft geleid tot een grote uitdaging voor gevestigde wetenschap, dan kan ik niet wachten om te zien welke andere ontdekkingen in het verschiet liggen,' zei Nagler.

Als slechts een voorbeeld hebben de teams van White en Nagler deze zomer deze methode opnieuw gebruikt om de temperatuur van materialen te bestuderen die met schokken zijn samengeperst om de omstandigheden diep binnen planeten na te bootsen.

Nagler is ook enthousiast om de nieuwe techniek toe te passen - die atoomtemperaturen kan bepalen van 1.000 tot 500.000 kelvin - op lopend onderzoek naar inertiale fusie-energie bij SLAC.

'Wanneer een fusiebrandstofdoel implodeert in een fusiereactor, bevinden de doelen zich in een warm dichte toestand,' legde Nagler uit. 'Om nuttige doelen te ontwerpen, moeten we weten bij welke temperaturen ze belangrijke statenwijzigingen zullen ondergaan. Nu hebben we eindelijk een manier om die metingen te verrichten.'

Meer informatie: Thomas G. White et al, Superverhitting van goud voorbij de voorspelde entropiecatastrofelimiet, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y

Tijdschrift informatie: Nature

Geleverd door: SLAC National Accelerator Laboratory