СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗУЮЩИХ РАСПЛАВОВ, ОБЛАДАЮЩИХ СПОСОБНОСТЬЮ К ФОРМИРОВАНИЮ КВАНТОВЫХ ВОРОНОК

Сверхтекучесть и квантовые свойства высокотемпературных неорганических расплавов были открыты совсем недавно в 2011-2013 году [1, 2, 3].

Исследование нового класса квантовых жидкостей позволило установить следующие основные признаки при проведении их идентификации:

1. Нулевая энтропия расплава по результатам термоэлектрических измерений.

2. Способность к перетеканию из одного сосуда в другой в виде тончайшего слоя при наличии общей твердой перегородки.

3. Формирование специфических квантовых воронок.

Таким образом, наряду со сверхпроводимостью и сверхтекучестью квантовые воронки могут быть использованы как показатели квантовых свойств жидкости. Впервые эта методика была использована в работах [2, 3] при идентификации квантовых свойств борных щелочных расплавов и расплава борного ангидрида. Однако условия проведения эксперимента при изучении гидродинамики сверхтекучих расплавов не были в достаточной степени изучены и, как показали наши опыты, могут привести к отрицательным результатам, т.е. заблокировать формирование квантовой воронки. В связи с этим разработка методики проведения опытов является актуальной задачей.

В качестве прототипа рассматривается патент на изобретение (RU 2470864) [1].

В отличие от прототипа в патенте установлены и соблюдаются необходимые условия для обеспечения положительного результата эксперимента.

Очевидно, условия опытов могут быть распространены и на другие оксидные расплавы и должны учитываться при исследовании гидродинамических свойств квантовых жидкостей.

Как показывают экспериментальные данные - образующиеся водовороты в борных оксидных расплавах имеют один тип, а именно, образуется одна центральная глубокая воронка с небольшой шарообразной полостью на дне воронки. Размеры ее геометрических параметров, глубина воронки, ее диаметр, наличие шарообразной полости зависят от условий опыта и физико-химических свойств расплава.

Порядок опыта был следующий. Расплав наплавлялся в платиновом или в корундизовом тигле объемом 50-100 см³, нагревался до температуры 900-950°С, выдерживался при этой температуре 15 мин и затем вынимался из печи, резко охлаждаясь на воздухе до полного остывания и затвердевания. Таким образом, фиксировалась образующаяся при какой-то более высокой температуре воронка.

Обращает на себя внимание низкая температура формирования воронки, например, для борного ангидрида визуальное наблюдение показывает, что начало формирования воронки составляет 247°С, заканчивается процесс при температуре около 195°С. Температура при этом контролировалась платино-родиевой термопарой.

Можно сказать, что процесс оформления квантовой воронки протекает при температурах, близких к температуре размягчения стеклообразного борного ангидрида Tg, которая по справочным данным составляет около 230°С [4], а вязкость равна 10¹³ пуаз и при температуре 215°С вязкость уже равна 10^14,4 пуаз, тогда как по визуальным данным процесс формирования воронки заканчивается при температуре около 190°С, т.е. совершенно в твердом состоянии материала.

Можно предположить, что наблюдаемый процесс образования квантовой воронки инициирован большим температурным градиентом, который возникает здесь по условиям интенсивного не равномерного охлаждения расплава.

Температурный градиент вызывает структурирование расплава и появление геометрических конфигураций, которые называют воронками или водоворотами по терминологии, принятой в классической гидродинамике.

Высказанные предположения подтверждаются следующими экспериментальными данными:

Если проводить опыт, исключив при этом создание большого температурного градиента, например, охлаждая плавно расплав вместе с тепловым агрегатом, то получают совершенно другой результат, а именно - в последнем случае квантовая воронка не образуется в расплаве. Объясняется это тем, что исключен фактор, температурный градиент, который вызывает структурирование расплава в его высоковязком состоянии.

Гидродинамические особенности поведения расплава можно рассмотреть с позиций проявления принципа Ле-Шателье. Воздействию температурного градиента в данном случае будет противостоять такая перестройка структуры, которая стремится уменьшить температурный градиент. Такому состоянию расплава и образующихся структур будет соответствовать расплав с высокой теплопроводностью, в тысячи раз превышающей теплопроводность не структурированного расплава, а это не что иное как безэнтропийное квантовое состояние.

Очень важно при рассмотрении структурирующего воздействия температурного градиента рассмотреть результаты гидродинамических исследований в расплавах системы К₂О-В₂О₃ в широком диапазоне составов. Как показывают экспериментальные данные, воронки образуются в расплавах в интервале от 0,0 до 20,0% мол. содержания K₂O, подтверждая квантовую природу жидкости, в то время как по результатам перетекания расплавов [2] при температуре 850-900°С составы с содержанием К₂О более 2,0% мол. уже теряют свою способность к перетеканию и, следовательно, не обладают квантовыми свойствами, при отсутствии корреляции двух рядов экспериментальных данных становится понятным, что следует обратить внимание на то, что перетекание исследуется в изотермических условиях при отсутствии интенсивно действующего на расплав большого температурного градиента. Это подтверждает высказанное ранее предположение о большом влиянии температурного градиента на формирование воронки и, следовательно, квантовых свойств борных щелочных расплавов.

В работе были специально исследованы особенности формования водоворотов в зависимости от глубины и объема расплава (таблица 1, Фиг. 1).

Экспериментальные данные показывают:

1. Существует минимальный уровень глубины расплава (не менее 12 мм), при котором отмечается начальное формирование водоворота.

2. Оптимальная глубина расплава в емкости должна быть не менее 30 мм.

3. Дальнейшее увеличение глубины расплава свыше 30 мм увеличивает глубину водоворота.

4. Применяемая методика позволяет существенно расширить концентрационные границы получения квантовых жидкостей.

5. Показано, что водовороты в борных щелочных расплавах образуются в их высоковязком и твердом состоянии. Установлены температурные границы формирования водоворотов в калиево-борных расплавах.

6. Отсутствие водоворотов и проявления квантовых свойств, при небольшом объеме расплава можно, по-видимому, объяснить малой величиной температурного градиента, недостаточной для протекания процессов структурирования.

7. Установлены оптимальные параметры объема расплава, необходимые для формирования водоворотов.

8. Очевидно, что не только объем расплава, но и скорость его охлаждения влияет на величину температурного градиента, уменьшающегося по мере снижения скорости охлаждения. При определенной малой скорости охлаждения расплав теряет способность к образованию водоворотов.

9. Контрольный опыт показывает, что расплав оконного стекла промышленного состава в аналогичных условиях при охлаждении не формирует обычный мениск жидкости и не образует квантовых водоворотов. Отсюда следует, что химический состав исследуемого расплава оказывает решающее влияние на проявление квантовых свойств жидкости.

10. Исследование гидродинамических свойств стеклообразующих жидкостей представляет собой новый экспрессный метод идентификации квантовых свойств расплавов.

Литература

1. Патент (RU 2470864 C2): Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей, 27.12.2012 г.

2. Заявка на патент №213108552 «Способ получения квантовых жидкостей - сверхтекучих оксидных расплавов» от 26.02.2013 г.

3. Заявка на патент №2013125987 «Способ получения однокомпонентной сверхтекучей квантовой жидкости на основе расплава неорганического полимера» от 05. 06. 2013 г.

4. О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайковская. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов, справочник, том 2, издательство «Наука», Ленинград, 1975 г., 632 с.