Ученым хорошо известны три основных состояния воды — твердое, жидкое и газообразное. Одновременное существование трех фаз возможно только при строго определенных значениях температуры и давления. Такое устойчивое равновесие называется тройной точкой.

Также известно, что твердые формы многих материалов могут существовать в различных фазах, но определить давление и температуру в точках равновесного существования трех фаз очень сложно.

Впервые ученые определили точные координаты тройной точки в веществе под названием двуокись ванадия (VO2), которое способно менять фазу за невероятные доли секунды, превращаясь из электрического изолятора (диэлектрик) в проводник.

Тройные точки твердых тел исследовать чрезвычайно сложно, главным образом из-за существования различных форм твердого состояния. Трудно добиться точного совпадения межфазных границ. Теоретически внутри твердого тела скрыто множество тройных точек, но все они еще практически не исследованы, — говорит Дэвид Кобден, профессор физики Вашингтонского университета.

Кобден является ведущим автором работы, опубликованной в научном журнале Nature от 22 августа 2013 года.

Способность двуокиси ванадия изменять расположение электронов, что позволяет материалу переходить из одного состояния в другое (изолятор-проводник), была обнаружена исследователями научного центра Bell Laboratories в 1959 году. Спустя двадцать лет стало известно о существовании двух незначительно отличающихся друг от друга изолирующих состояний.

Новое исследование показало, что эти две изолирующие фазы и одна проводящая фаза в двуокиси ванадия в твердой форме могут стабильно сосуществовать при температуре 65 градусов Цельсия с погрешностью в одну десятую доли градуса в ту или иную сторону.

Для обнаружения тройной точки команде ученых под руководством Кобдена пришлось растянуть нанопроводники двуокиси ванадия, наблюдая их под микроскопом. Важно было не разорвать проводник наноразмеров, для чего потребовалась специально созданная аппаратура, отмечает автор исследования.

Как оказалось, при достижении тройной точки проводники потеряли способность растягиваться и сжиматься. На изучение фазового перехода было потрачено несколько лет. Больше времени потребовалось на постановку эксперимента по обнаружению тройной точки.

Ранее не было возможности исследовать свойства вокруг тройной точки, — отметил исследователь.

Ученые считают, что эта работа является существенным шагом в понимании фазового перехода в двуокиси ванадия, который может привести к разработке новых типов материалов.

Ранее в Университете Неймегена в Нидерландах создали супергель, который тает на холоде и «пьет воду ведрами».