科學家們開發出一種創新方法，透過將液體封裝在光纖中來研究負壓下液體的蛻變狀態。這項技術提供了一種使用光波和聲波測量壓力的更簡單方法，為熱力學和化學反應領域的新發現鋪平了道路。作為一種物理量，壓力存在於各個領域：氣象學中的大氣壓力、醫學中的血壓，甚至日常生活中的高壓鍋和真空密封食品。

充滿液體的玻璃毛細管的藝術印象。透過將液體封裝在光纖中，科學家用聲波作為感測器觀察和測量了負壓效應。圖片來源：© Long Huy Dao

壓力的定義是單位面積上垂直於固體、液體或氣體表面的作用力。根據力在封閉系統中的作用方向，在極端情況下，極高的壓力可能導致爆炸反應，而封閉系統中極低的壓力可能導致系統本身內爆。

超壓總是指氣體或液體從內部擠壓容器壁，就像加入更多空氣後氣球膨脹一樣。無論高壓或低壓，在正常情況下，壓力的數值總是正的。

然而，液體有一個特殊的特性。它們可以存在於一種與負壓值相對應的特定可變狀態。在這種可變狀態下，即使是微小的外部影響也會導致系統坍縮到一種或另一種狀態。我們可以把它想像成坐在雲霄飛車的頂端：稍微觸碰一側或另一側，就會讓你從軌道上急速墜落。

在目前的研究中，科學家正在研究液體在負壓作用下的蛻變狀態。為此，研究小組在發表於《自然-物理》（Nature Physics）的一項研究中結合了兩種獨特的技術，測量各種熱力學狀態。

首先，將微量（奈升）液體封裝在完全封閉的光纖中，使其同時具有高度正壓和負壓。隨後，透過光波和聲波在液體中的特殊相互作用，可以靈敏地測量液體不同狀態下壓力和溫度的影響。聲波充當了檢測負壓值的感測器，以高精度和詳細的空間分辨率探索這種獨特的物質狀態。

(由左至右）研究小組負責人比爾吉特-斯蒂勒（Birgit Stiller）在實驗室與安德烈亞斯-蓋倫（Andreas Geilen）和亞歷山德拉-波普（Alexandra Popp）在一起。圖片來源：© Florian Ritter, MPL

負壓的影響與測量技術

負壓對液體的影響可以設想如下： 根據熱力學定律，液體的體積會減小，但液體在玻璃纖維毛細管中會受到黏附力的作用，就像水滴黏在手指上一樣。這就導致了液體的”拉伸”。液體被拉開，就像橡皮筋被拉伸一樣。

測量這種奇特的狀態通常需要複雜的設備和更高的安全防範措施。高壓是一項危險的工作，尤其是有毒液體。本研究中研究人員所使用的二硫化碳就屬於此類液體。由於這種複雜性，先前用於產生和確定負壓的測量裝置需要大量的實驗室空間，甚至會對處於穩定狀態的系統造成乾擾。

透過本文介紹的方法，研究人員開發了一個微小、簡單的裝置，可以利用光波和聲波進行非常精確的壓力測量。用於此目的的光纖只有頭髮絲那麼粗。

研究者的評論

“當新的測量方法與新穎的平台相結合時，一些難以用普通和既定方法探索的現象就會變得出乎意料地容易獲得。我覺得這很令人興奮，”MPL 量子光聲研究小組負責人Birgit Stiller 博士說。該研究團隊使用的聲波可以非常靈敏地偵測光纖沿線的溫度、壓力和應變變化。此外，還可以進行空間分辨測量，這意味著聲波可以沿著光纖長度以厘米級的分辨率提供光纖內部情況的圖像。

文章的兩位主要作者之一亞歷山德拉-波普（Alexandra Popp）說：”我們的方法使我們能夠更深入地了解這種獨特的光纖系統的熱力學依賴關係。”

另一位主要作者安德烈亞斯-蓋倫（Andreas Geilen）補充道：”測量結果揭示了一些令人驚訝的效應。當觀察聲波的頻率時，負壓狀態的觀測結果就會變得非常清晰。”

潛在應用與結束語

將光聲學測量與緊密密封的毛細管纖維相結合，可以在監測其他難以研究的材料和微反應器中有毒液體的化學反應方面獲得新發現。它可以滲透到新的、難以進入的熱力學領域。

耶拿IPHT 的Markus Schmidt 教授和同樣來自耶拿IPHT 的Mario Chemnitz 博士強調說：”這種全密封液芯纖維新平台可以進入高壓和其他熱力學環境，研究甚至進一步定制這種光纖中的非線性光學現像是非常有意義的。”

這些現象可以在材料獨特的熱力學狀態下釋放出以前未曾探索過的潛在新特性。

比爾吉特-史提勒總結道：「我們在埃爾蘭根和耶拿的研究小組利用各自的專業知識開展合作，在一個微小且易於操作的光學平台上獲得對熱力學過程和狀態的新認識，這是獨一無二的。”