Fizycy złamali 150‑letnią regułę faz Gibbsa. Ciało stałe, ciecz i gaz? To już nieaktualne

W ilu postaciach może jednocześnie występować woda? Licząca 150 lat reguła Gibbsa – fundament współczesnej termodynamiki – zakłada, że w ściśle określonych warunkach woda może być jednocześnie cieczą, lodem i gazem. Problem w tym, że to już nieaktualne, a podważenie reguły Gibbsa niesie ze sobą bardzo poważne następstwa.

Woda pod trzema postaciami, istniejąca w ściśle określonej temperaturze i ciśnieniu, była jednym z fundamentów reguły faz Gibbsa, ustalonej półtora wieku temu. Profesor Remco Tuinier z Instytutu Złożonych Układów Molekularnych stwierdził nawet, że "w tamtym czasie Albert Einstein nazwał termodynamikę Gibbsa jedyną teorią, której naprawdę ufał".

Zaufanie Einsteina zobowiązuje, jednak zespół badaczy z Eindhoven University of Technology i University Paris-Saclay zaobserwował zjawisko, które stawia pod znakiem zapytania 150-letnią teorię.

Podczas jednego z doświadczeń z wykorzystaniem roztworów koloidalnych naukowcy zauważyli, że używana w eksperymencie substancja przyjmuje w danym momencie nie trzy – co byłoby zgodne z regułą Gibbsa – ale cztery, a nawet pięć faz.

Uzyskali fazę gazową, dwie różniące się właściwościami fazy płynne i dwie fazy stałe. Co więcej, dotychczasowy punkt równowagi zakładał współistnienie dwóch zmiennych – temperatury i ciśnienia. Okazuje się, że można znaleźć jeszcze co najmniej dwie inne: długość cząstek w stosunku do ich średnicy, a także średnicę cząstki w stosunku do średnic innych cząstek w roztworze. 

Odkrycie zespołu z Eindhoven jest tym bardziej doniosłe, że jest czymś więcej, niż tylko abstrakcyjną zabawą jajogłowych. Ma bardzo konkretne przełożenie na praktykę – możemy wyobrazić sobie choćby instalacje przemysłowe, w których przepompowuje się różne substancje.

Ciągle zbyt abstrakcyjne? To wyobraźmy sobie nowe metody pozycjonowania ciekłych kryształów w ekranach LCD. Albo wytwarzanie niektórych farb. Albo majonezów. Albo skuteczne usuwanie marznącej wody z dróg. W każdym z tych przypadków nowe odkrycie może usprawnić lub zmienić proces technologiczny.

Czy to oznacza, że podręczniki trzeba pisać od nowa? Nie tak szybko! Osiągnięcie jest bez wątpienia przełomowe, ale – na razie – stało się udziałem jednego zespołu badawczego, który opublikował swoje obserwacje w czasopiśmie "Physical Review Letters".

Teraz pole do popisu mają inni badacze, którzy muszą zweryfikować, czy ich koledzy po fachu nie popełnili jakiegoś błędu. A najlepiej, działając niezależnie, powtórzyć ich wyniki.

Na tym polega piękno nauki, że – nie odrzucając szerokiego spektrum możliwości – należy zdrowo wątpić i weryfikować. A zatem: zapowiada się przełom. Zanim jednak ogłosimy, że pan Josiah Willard Gibbs się pomylił, warto poczekać na potwierdzenie osiągnięcia przez innych naukowców.