RU2556928C2

RU2556928C2 - Method of producing single-component quantum superfluid based on molten inorganic polymer

Info

Publication number: RU2556928C2
Application number: RU2013125987/05A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федосеевич Борисов; Виктор Алексеевич Забелин
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-07-20
Also published as: RU2013125987A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to a method of producing a quantum superfluid by melting boron anhydride (B₂O₃) at temperature higher than 800°C. The obtained melt is a single-component compound of boron and oxygen and exhibits superfluid properties such as zero entropy in thermoelectric tests, overflow of the melt on a solid platinum surface from one vessel into another in the presence of a surface which is common for the vessels and a difference in the levels of the melt, and also forms whirlpools, which are typical for superfluids when molten B₂O₃ is cooled from 950-1000°C to room temperature, without mechanical action on the molten boron anhydride.

EFFECT: invention enables to obtain a quantum superfluid based on inorganic flass-forming polymer without adding dopants.

1 dwg

Description

Предлагается способ получения новой квантовой сверхтекучей жидкости путем расплавления борного ангидрида при температуре выше 850°-1000°C.A method for producing a new quantum superfluid liquid by melting boric anhydride at a temperature above 850 ° -1000 ° C.

Приведены экспериментальные данные, подтверждающие квантовые свойства и сверхтекучесть расплава борного ангидрида. Показано, что расплав обладает такими свойствами, как:Experimental data confirming the quantum properties and superfluidity of a melt of boric anhydride are presented. It is shown that the melt has such properties as:

- нулевая энтропия;- zero entropy;

- способность перетекания из одного сосуда в другой при наличии общей твердой поверхности;- the ability to flow from one vessel to another in the presence of a common solid surface;

- образование водоворотов при охлаждении расплава, характерных для квантовых жидкостей, без какого-либо механического воздействия.- the formation of whirlpools during cooling of the melt, characteristic of quantum liquids, without any mechanical impact.

Изобретение открывает новый класс сверхтекучих жидкостей.The invention opens a new class of superfluid liquids.

Изобретение относятся к получению сверхтекучего материала, находящегося в жидком состоянии, который может быть использован в качестве модельной жидкости, обладающей квантовыми свойствами.The invention relates to the production of superfluid material in a liquid state, which can be used as a model fluid with quantum properties.

Изобретение открывает новый класс двухатомных однокомпонентных оксидных материалов и квантовых жидкостей и расширяет область их использования в фундаментальных исследованиях, связанных с разработкой теоретических основ и решения технологических вопросов высокотемпературных сверхпроводящих материалов.The invention opens up a new class of diatomic one-component oxide materials and quantum liquids and expands the scope of their use in basic research related to the development of theoretical foundations and solving technological issues of high-temperature superconducting materials.

Изобретение относится к получению простых по химическому составу квантовых жидкостей, полученных на основе неорганических стеклообразующих полимеров без введения каких-либо допирующих добавок.The invention relates to the production of simple chemical liquids of quantum liquids obtained on the basis of inorganic glass-forming polymers without the introduction of any doping additives.

В качестве прототипа рассматриваются борно-щелочные расплавы [1, 2], обладающие более сложным химическим составом и квантовыми свойствами.Boron-alkali melts [1, 2], which have a more complex chemical composition and quantum properties, are considered as a prototype.

Главным отличием предлагаемого состава (B₂O₃) от расплавов борно-щелочной группы является дальнейшее упрощение химического состава и технологии изготовления сверхтекучей жидкости. В частности, исключается необходимость тщательного приготовления шихты и гомогенизации расплава путем механического размешивания.The main difference between the proposed composition (B ₂ O ₃ ) from the melts of the boron-alkali group is a further simplification of the chemical composition and manufacturing technology of a superfluid liquid. In particular, the need for thorough preparation of the charge and homogenization of the melt by mechanical stirring is eliminated.

До настоящего времени разработано ограниченное количество сверхтекучих жидкостей, обладающих квантовыми свойствами, которые являются редкими экзотическими материалами. Известные достижения в этой области связаны главным образом с жидким гелием и с глубоким охлаждением и конденсацией паровой фазы некоторых других материалов [3].To date, a limited number of superfluid liquids having quantum properties, which are rare exotic materials, have been developed. Known achievements in this area are mainly associated with liquid helium and with deep cooling and condensation of the vapor phase of some other materials [3].

Сверхнизкие температуры, одноатомный состав жидкого гелия затрудняют использование его и других жидкостей в качестве модельных.Ultra-low temperatures, monatomic composition of liquid helium make it difficult to use it and other liquids as model ones.

Отсутствие других типов квантовых жидкостей затрудняет изучение одного из важнейших вопросов - сверхтекучести материалов. В связи с этим разработка составов квантовых модельных жидкостей является актуальной проблемой для развития фундаментальных теоретических основ квантовой физики и имеет большое прикладное значение для разработки высокотемпературных сверхпроводников.The absence of other types of quantum liquids makes it difficult to study one of the most important issues - the superfluidity of materials. In this regard, the development of compositions of quantum model liquids is an urgent problem for the development of the fundamental theoretical foundations of quantum physics and is of great applied importance for the development of high-temperature superconductors.

В данном патенте рассматриваются впервые идентифицированные сверхтекучие и квантовые свойства расплава борного ангидрида.This patent discusses the first identified superfluid and quantum properties of a melt of boric anhydride.

Для установления сверхтекучести в работе было показано, что расплав В₂О₃ обладает следующими свойствами:To establish superfluidity, it was shown in the work that the В ₂ О ₃ melt has the following properties:

1. Квантовые жидкости имеют нулевые значения энтропии.1. Quantum fluids have zero entropy values.

2. Более убедительным доказательством сверхтекучести расплава является его способность перетекать из одного сосуда в другой при наличии общей разделяющей твердой поверхности. Как показывают экспериментальные данные термо-ЭДС, в расплаве борного ангидрида в температурном интервале 850-1020°C минимальное значение термо-ЭДС не превышает 4,5 мВ (остаточные разности потенциалов), а коэффициент термо-ЭДС (α_т) имеет очень малые значения и в пределах возможной ошибки опыта можно считать α_т→0, а вместе с этим и энтропийный показатель B₂O₃ принимает нулевые значения.2. A more convincing proof of the superfluidity of a melt is its ability to flow from one vessel to another in the presence of a common separating solid surface. As the experimental data of thermo-EMF show, in a melt of boric anhydride in the temperature range 850-1020 ° C, the minimum value of thermo-EMF does not exceed 4.5 mV (residual potential differences), and the coefficient of thermo-EMF (α _t ) has very small values and within the limits of a possible experimental error, α _t → 0 can be considered, and with it the entropy index B ₂ O ₃ assumes zero values.

Полученные экспериментальные данные подтверждаются результатами работы [1]. Рассматривая диаграммы «коэффициент термо-ЭДС - состав» в системах K₂O- В₂О₃ и Cs₂O- В₂О_3, следует отметить, что очень небольшая экстраполяция коэффициента термо-ЭДС на нулевое содержание щелочного компонента (чистый В₂О₃) дает однозначно нулевые значения α_т, а вместе с этим и нулевые значения энтропии В₂О₃.The obtained experimental data are confirmed by the results of [1]. Considering the chart "coefficient of thermal emf - composition" in K ₂ O- systems B ₂ O ₃ Cs ₂ O- and B ₂ O _3, it should be noted that a very small extrapolation thermo-emf coefficient at the zero content of alkali components (in pure ₂ O ₃ ) gives unambiguously zero values of α _t , and with it zero values of entropy В ₂ О ₃ .

Следует обратить внимание, что сверхтекучесть В₂О₃ существенно затрудняет проведение термоэлектрических исследований в связи с вытеканием расплава В₂О₃ из платиновой лодочки и образованием токопроводящих контактов между лодочкой и керамическими элементами нагревательной установки.Note that superfluid B ₂ O ₃ significantly complicates thermoelectric studies in connection with the melt flowing out of B ₂ O ₃ of the platinum boat and forming conductive contacts between the boat and the ceramic elements of a heating installation.

Все это может вносить большие погрешности в экспериментальные данные термоэлектрических исследований.All this can introduce large errors in the experimental data of thermoelectric studies.

Определение сверхтекучести расплава проводилось по следующей методике (Фиг. 1). Ячейка состояла из двух платиновых тиглей: малого 1 и большого 2, вставленных один в другой.Determination of superfluidity of the melt was carried out according to the following method (Fig. 1). The cell consisted of two platinum crucibles: small 1 and large 2, inserted one into the other.

Объем между стенками большого (2) и малого тигля (1) заполнялся исследуемым материалом B₂O₃. (6). Ячейка накрывалась сверху керамической крышкой (3) для образования насыщенной атмосферы и сохранения целостности тончайшей пленки расплава образующейся на внутренних и внешних поверхностях платиновых тиглей. Ячейка устанавливалась в проволочную корзину (4), которая крепится к керамической трубке (5), для удобства быстрого перемещения в печное пространство трубчатой печи. Применяемая подвесная система гарантировала предотвращение воздействия блуждающих токов при случайном контакте деталей ячейки с нагретыми до высокой температуры деталями электрической печи. Ячейка помещалась в печь при температуре 850°-950°C и выдерживалась от 30 мин до 2 ч в зависимости от условий опыта. Пленка на твердой поверхности платины перемещалась, как показано стрелками, с большой скоростью. При этом по аналогии с жидким гелием толщина пленки составляет несколько десятков мономолекулярных слоев и пленка совершенно не видима глазом, как во время опыта, так и после его окончания. Перемещение расплава из промежуточного тигельного пространства в малый тигель (1) отмечалось только по появлению В₂О₃ (6) в малом тигле (1) и изменению уровней расплава. Следует подчеркнуть, что перетекание наблюдалось нами только у расплавов с нулевыми значениями коэффициента термо-ЭДС, т.е. безэнтропийных и обладающих квантовыми свойствами. Что касается обычных расплавов, то проведенные нами многочисленные опыты показывают полное отсутствие их перетекания из большого тигля (2) в малый (1) при наличии разности уровней (Δ1) и аналогичных с квантовыми расплавами условиями.The volume between the walls of the large (2) and small crucible (1) was filled with the studied material B ₂ O ₃ . (6). The cell was covered on top with a ceramic lid (3) to form a saturated atmosphere and preserve the integrity of the thinnest melt film formed on the inner and outer surfaces of platinum crucibles. The cell was installed in a wire basket (4), which is attached to a ceramic tube (5), for the convenience of quick movement into the furnace space of a tubular furnace. The applied suspension system guaranteed the prevention of stray currents in the event of accidental contact of the cell parts with parts of the electric furnace heated to a high temperature. The cell was placed in a furnace at a temperature of 850 ° -950 ° C and kept for 30 minutes to 2 hours depending on the experimental conditions. The film moved on a solid surface of platinum, as shown by arrows, at high speed. Moreover, by analogy with liquid helium, the film thickness is several tens of monomolecular layers and the film is completely invisible to the eye, both during the experiment and after its completion. The transfer of the melt from the intermediate crucible space to the small crucible (1) was observed only by the appearance of В ₂ О ₃ (6) in the small crucible (1) and the change in the melt levels. It should be emphasized that the overflow was observed by us only in melts with zero values of the coefficient of thermo-EMF, i.e. entropic and possessing quantum properties. As for ordinary melts, our numerous experiments show the complete absence of their flow from the large crucible (2) to the small (1) in the presence of a level difference (Δ1) and similar conditions with quantum melts.

Необходимо отметить и движение пленки В₂О₃ по внешней поверхности стенки большого тигля (2) (Фиг. 1). Движение расплава отмечается накоплением его на внешней поверхности дна большого тигля (2), где набирается ощутимое и видимое для глаза количество B₂O₃ (6). Рассмотренный выше опыт может быть легко воспроизведен в любой лаборатории.It should be noted and the movement of the film In ₂ About ₃ on the outer surface of the wall of the large crucible (2) (Fig. 1). The movement of the melt is noted by its accumulation on the outer surface of the bottom of the large crucible (2), where a significant and visible amount of B ₂ O ₃ is accumulated (6). The experience discussed above can be easily reproduced in any laboratory.

3. Водовороты в расплаве борного ангидрида как подтверждение его сверхтекучести и квантовых свойств3. Whirlpools in the melt of boric anhydride as confirmation of its superfluidity and quantum properties

Одним из свойств сверхтекучих жидкостей, активно изучаемых физиками в последнее время [4], являются водовороты, получаемые при охлаждении жидкости до температур, близких к абсолютному нулю. Физики смогли рассчитать различные динамические эффекты, используя суперсовременный компьютер. Динамика образования воронок изучалась в зависимости от скорости механического принудительного вращения жидкости. Установлено, что сверхтекучесть сохраняется даже в тех случаях, когда перемешивание осуществляется со сверхзвуковыми скоростями. В зависимости от скорости вращения образуется или много организованных в концентрические окружности воронок (при малой скорости вращения), или образуется одна воронка в центре, если перемешивать жидкость достаточно быстро.One of the properties of superfluid liquids, which has been actively studied by physicists recently [4], is the whirlpools obtained by cooling a liquid to temperatures close to absolute zero. Physicists were able to calculate various dynamic effects using an ultra-modern computer. The dynamics of the formation of funnels was studied depending on the speed of the mechanical forced rotation of the liquid. It has been established that superfluidity persists even in cases where mixing is carried out at supersonic speeds. Depending on the speed of rotation, either a lot of funnels organized in concentric circles are formed (at a low speed of rotation), or one funnel is formed in the center if the liquid is mixed quickly enough.

Приведенные выше экспериментальные данные, свидетельствующие о сверхтекучести расплава борного ангидрида, давали основание предполагать, что и другие свойства, характерные для квантовых жидкостей, должны найти подтверждение. В связи с этим были изучены гидродинамические условия образования воронок в расплаве B₂O₃ при его охлаждении от температуры 850°-1000°C до комнатной температуры. Как показали экспериментальные данные, при охлаждении расплава B₂O₃ происходит образование необычной центральной воронки при полном отсутствии механических воздействий на расплав, что подтверждает наличие сверхтекучих и квантовых свойств у расплава B₂O₃. Образование воронок в расплаве связано с существованием вихрей и перемещением сверхтекучей части квантовой жидкости, которая в определенный момент, по-видимому, вовлекает в движение обычную часть расплава.The above experimental data, which indicate the superfluidity of a melt of boric anhydride, gave reason to assume that other properties characteristic of quantum liquids should be confirmed. In this regard, the hydrodynamic conditions of the formation of funnels in the B ₂ O ₃ melt were studied when it was cooled from a temperature of 850 ° -1000 ° C to room temperature. As shown by experimental data, when the B ₂ O ₃ melt is cooled, an unusual central funnel is formed in the complete absence of mechanical influences on the melt, which confirms the presence of superfluid and quantum properties of the B ₂ O ₃ melt. The formation of funnels in the melt is associated with the existence of vortices and the movement of the superfluid part of the quantum liquid, which at a certain moment, apparently, involves the usual part of the melt in the motion.

Сегодня можно утверждать, что водовороты, наблюдавшиеся физиками в квантовых жидкостях при сверхнизких температурах и в наших опытах в расплаве B₂O_3, представляют собой одно и то же явление и являются дополнительным важным подтверждением проявления квантовых сверхтекучих свойств расплава борного ангидрида.Today, it can be argued that the whirlpools observed by physicists in quantum liquids at extremely low temperatures and in our experiments in the B ₂ O ₃ melt are one and the same phenomenon and are an additional important confirmation of the manifestation of the quantum superfluid properties of boric anhydride melt.

ЛитератураLiterature

1. Способ получения оксидных расплавов, обладающих признаками сверхпроводящих жидкостей, Борисов А.Ф., Кислицына И.А., заявка 2011108168/05, 02.03.2011, опубликовано 27.12.2012, Бюл. №36.1. A method of producing oxide melts with signs of superconducting liquids, Borisov AF, Kislitsyna IA, application 2011108168/05, 03/02/2011, published December 27, 2012, Bull. Number 36.

2. Борисов А.Ф., Забелин В.А., Кислицына И.А. Термоэлектрические исследования координационных состояний бора в расплавах системы Li₂O-B₂O₃ // Приволжский научный журнал. - 2012. - №4 - с. 163-168.2. Borisov A.F., Zabelin V.A., Kislitsyna I.A. Thermoelectric studies of coordination states of boron in melts of the Li ₂ OB ₂ O _{3 system} // Volga Scientific Journal. - 2012. - No. 4 - p. 163-168.

3. Википедия: Сверхтекучесть - Режим доступа:3. Wikipedia: Superfluidity - Access mode:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E2%E5%F0%F5%F2%E^%F1%F2%FC.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E2%E5%F0%F5%F2%E^%F1%F2%FC.

4. Тайны мира. - Режим доступа: http://www.tainamira.net/novosti/raznoe/fiziki-objasnili-vodovoroty-v-sverchtekuchei-zhidk.4. Secrets of the world. - Access mode: http://www.tainamira.net/novosti/raznoe/fiziki-objasnili-vodovoroty-v-sverchtekuchei-zhidk.

Claims

Способ получения сверхтекучей квантовой жидкости, включающий расплавление борного ангидрида (B₂O₃) при температуре выше 800°C, при этом полученный расплав представляет собой однокомпонентное соединение бора и кислорода и проявляет свойства сверхтекучей жидкости, такие как нулевая энтропия по данным термоэлектрических исследований, перетекание расплава по твердой поверхности платины из одного сосуда в другой при наличии общей для сосудов поверхности и разности уровней расплава, а также образует водовороты, характерные для сверхтекучих жидкостей при охлаждении расплава B₂O₃ от температуры 950-1000° до комнатной температуры, и при этом не производится механических воздействий на расплав борного ангидрида. A method for producing a superfluid quantum liquid, including the melting of boric anhydride (B ₂ O ₃ ) at a temperature above 800 ° C, while the resulting melt is a one-component compound of boron and oxygen and exhibits the properties of a superfluid liquid, such as zero entropy according to thermoelectric studies, flow melt along the solid surface of platinum from one vessel to another in the presence of a common surface for vessels and a difference in the levels of the melt, and also forms whirlpools characteristic of superfluid fluids while cooling the melt B ₂ O ₃ on the temperature 950-1000 ° to room temperature, and thus is not produced mechanical influences on the melt boric anhydride.