Кіріспе

Материяның негізгі күйлері арасындағы физикалық процесс. Химия, термодинамика және физика, биология сияқты басқа да салаларда фазалық ауысу (немесе фазалық өзгеріс) – ортаның бір күйден екінші күйге өтуінің физикалық процесі. Көбінесе бұл термин материяның негізгі күйлері арасындағы өзгерістерді білдіреді: қатты, сұйық және газ, ал сирек жағдайларда плазма. Термодинамикалық жүйенің фазасы мен материяның күйлері біртекті физикалық қасиеттерге ие. Белгілі бір ортаның фазалық ауысуы кезінде, температура немесе қысым сияқты сыртқы жағдайлардың өзгеруі салдарынан ортаның белгілі бір қасиеттері өзгереді. Бұл үзіліссіз өзгеру болуы мүмкін; мысалы, сұйық зат қайнау температурасына жеткенде газға айналып, көлемінде күрт өзгеріс тудыруы мүмкін. Өзгеріс жүзеге асатын сыртқы жағдайларды анықтау фазалық ауысу нүктесін анықтайды.

Құрылымдық

Фазалық ауысулар қатты дене химиялық құрамы өзгерместен басқа құрылымға ауысқанда да болуы мүмкін. Элементтерде бұл аллотропия, ал қосылыстарда полиморфизм деп аталады. Бір кристалл құрылымынан екіншісіне, кристаллдық қатты денеден аморфты қатты денеге немесе бір аморфты құрылымнан екіншісіне өту – барлығы қатты денеден қатты денеге фазалық ауысудың мысалдары. Мартензиттік трансформация көміртекті болаттағы көптеген фазалық трансформациялардың бірі ретінде жүзеге асады және ығыстыру фазалық трансформацияларының моделі болып табылады. Альфа-титан алюминийлеріндегідей реттілік-ретсіздік ауысулары. Материяның күйлері сияқты, құрылымдық фазалық ауысулар үшін де метатұрақтан тепе-теңдікке фазалық түрлендірулер болады. Төмен беттік энергияға байланысты жылдам қалыптасатын метастабильді полиморф, энергиялық тосқауылды жеңу үшін жеткілікті жылулық энергия берілгенде тепе-теңдік фазасына айналады.

Магниттік

Фазалық ауысулар магниттік реттің әртүрлі түрлері арасындағы өзгерісті де сипаттай алады. Ең жақсы танымал мысал – магниттік материалдардың ферромагниттік және парамагниттік фазалары арасындағы ауысу, ол Кюри нүктесі деп аталады. Тағы бір мысал – церий антимониді сияқты, реттелген, сәйкес немесе сәйкес келмейтін магниттік құрылымдар арасындағы ауысу. Магниттік фазалық ауысулардың қарапайым, бірақ өте пайдалы моделі Исинг моделі болып табылады.

Қоспалар

Ерітінділер мен қоспаларды қамтитын фазалық ауысулар, бір ғана қосылысты қамтитын ауысуларға қарағанда күрделірек. Химиялық таза қосылыстар қатты және сұйық фазалар арасында бір ғана балқу температурасын көрсетеді, ал қоспалар бір балқу температурасына ие болуы мүмкін, бұл конгруэнтті балқу деп аталады, немесе олар әртүрлі сұйық және қатты температураға ие болып, қатты және сұйық фазалардың тепе-теңдікте бірге болатын температуралық аралықты құрайды. Мұндай жағдай қатты ерітінділерде жиі кездеседі, онда екі компонент те изоструктуралық болады. Үш фазаны қамтитын бірнеше фазалық ауысулар да бар: эутектикалық трансформация, онда екі компонентті бір фазалы сұйықтық салқындатылып, екі қатты фазаға айналады. Осы процестің қатты заттан басталуы эутектоидтық трансформация деп аталады. Перитектикалық трансформация – екі компонентті бір фазалы қатты заттың қыздырылып, қатты фаза мен сұйық фазаға айналуы. Перитектоидтық реакция – барлық фазалар қатты болған жағдайларды қоспағанда, перитектикалық реакцияның өзі. Монотектикалық реакция сұйықтықтың қатты фаза мен екінші сұйықтықтың қоспасына өзгеруінен тұрады, мұнда екі сұйықтық араласпайтындықтан аралық пайда болады. Фазалардың көпке бөлінуі спинодальдық ыдырау арқылы жүзеге асуы мүмкін, онда бір фаза салқындатылып, екі түрлі құрамға бөлінеді. Тепе-теңдіксіз қоспалар да болуы мүмкін, мысалы, суперқанығу кезінде.

Эренфест жіктеуіші

Пол Эренфест фазалық ауысуларды термодинамикалық еркін энергияның басқа термодинамикалық айнымалыларға тәуелділігінің сипаттамасына сүйене отырып жіктеді. Осы схема бойынша фазалық ауысулар ауысу нүктесінде үздіксіз болатын еркін энергияның ең төменгі туындысымен белгіленеді. Бірінші реттік фазалық ауысулар кейбір термодинамикалық айнымалыға қатысты еркін энергияның бірінші туындысында үздіксіздік көрсетеді. Қатты-сұйық-газ фазалық ауысулар бірінші реттік ауысуларға жатады, себебі олар тығыздықтың үздіксіз өзгеруін қамтиды, ал тығыздық – қысымға қатысты еркін энергияның бірінші туындысының кері шамасы. Екінші реттік фазалық ауысулар бірінші туындыда үздіксіз болады (реттеуші параметр, сыртқы өріске қатысты еркін энергияның бірінші туындысы, ауысу кезінде үздіксіз болады), бірақ еркін энергияның екінші туындысында үздіксіздік көрсетеді. Көптеген ферромагнетиктердің Кюри нүктелері үшінші реттік ауысу болып табылады, олардың қатысты жылу сыйымдылығында кенеттен көлбеудің өзгеруі осыны көрсетеді. Іс жүзінде, көбінесе бірінші және екінші реттік фазалық ауысулар ғана байқалады. Екінші реттік фазалық ауысу біраз уақыт бойы дау тудырды, себебі ол Гиббс еркін энергиясының екі бетінің дәл түйісуін қажет етеді, бұл практикада ешқашан орын алмайтын сияқты. Корнелис Гортер сынға жауап ретінде Гиббс еркін энергиясының бетінің бір жағында екі беті, ал екінші жағында тек бір беті болуы мүмкін екенін көрсетті, осылайша екіге бөлінген пішін пайда болады. (Кейінгі онжылдықтарда Эренфест жіктемесі осындай ауысуларды қамтитын қарапайым жіктеме схемасымен алмастырылды.)

Фазалық қатар өмір сүру

Тозығы төмен температурадағы тепе-теңдік фазасының үлесі температураның шекті диапазонында нөлден бірге (100%) дейін өсетін кеңейтілген бірінші реттік ауысу орын алады. Бірге болатын фракциялардың температурамен үздіксіз өзгеруі қызықты мүмкіндіктер ашты. Салқындаған кезде кейбір сұйықтықтар тепе-теңдік кристалдық фазаға өтудің орнына шыныға айналады. Бұл салқындату жылдамдығының критикалық салқындату жылдамдығынан жоғары болған жағдайда болады, себебі молекулалық қозғалыстар соншалықты баяулайды ki молекулалар кристалдық орналасуға қайта құрыла алмайды. Бұл баяулау шыны түзілу температурасы Tg-ден төмен жүреді, ол қолданылатын қысымға байланысты болуы мүмкін. Егер бірінші реттік қату ауысуы температураның белгілі бір диапазонында болса және Tg осы диапазонға кірсе, онда ауысу толық емес және ішінара болғанда тоқтатылуы мүмкін деген қызықты мүмкіндік пайда болады. Бұл идеяларды бірінші реттік магниттік ауысулардың төмен температурада тоқтатылуына қатысты кеңейту, екі магниттік фазаның ең төмен температураға дейін бірге өмір сүруімен толық емес магниттік ауысуларды байқауға әкелді. Алғаш рет ферромагниттік-антиферромагниттік ауысуда хабарланған, мұндай тұрақты фазалық қатар өмір сүру қазір әртүрлі бірінші реттік магниттік ауысуларда байқалды. Оларға жоғары магниттік кедергіге төзімді манганит материалдары, магниттік калориялық материалдар, магниттік пішін жады материалдары және басқа материалдар жатады. Бұл бақылаулардың ерекшелігі – Tg температураның ауысу орын алатын диапазонында болғандықтан, бірінші реттік магниттік ауысу магниттік өріс әсеріне ұшырайды, дәл сияқты құрылымдық ауысу қысымға әсер етеді. Магниттік өрістерді басқарудың салыстырмалы жеңілдігі, қысымға қарағанда, Tg және Tc арасындағы өзара әрекеттесуді жан-жақты зерттеу мүмкіндігін ұсынады. Бірінші реттік магниттік ауысулардағы фазалық қатар өмір сүру, шыныларды түсінудегі шешілмеген мәселелерді шешуге көмектеседі.

Басты тұстар

Сұйық және газ фазаларын қамтитын кез келген жүйеде қысым мен температураның ерекше комбинациясы бар, ол сындық нүкте деп аталады, онда сұйықтан газға өту екінші реттік фазалық өтуге айналады. Сындық нүктеге жақын сұйықтық жеткілікті түрде ыстық және қысылған болады, сондықтан сұйық және газ фазалары арасындағы шекара дерлік жоғалады. Бұл критикалық опалесценция құбылысымен байланысты, яғни сұйықтың барлық мүмкін толқын ұзындықтарындағы (көрінетін жарық толқындары да оның ішінде) тығыздық флуктуацияларынан туындаған сүттей ақ түс пайда болады.

Симметрия

Фазалық ауысулар көбінесе симметрияны бұзу процесін қамтиды. Мысалы, сұйықтықты кристалдық қатты денеге салқындату үздіксіз трансляциялық симметрияны бұзады: сұйықтықтағы әрбір нүктеде бірдей қасиеттер болады, бірақ кристалдағы әрбір нүктеде бірдей қасиеттер болмайды (егер нүктелер кристалл торының торлық нүктелерінен таңдалмаса). Көбінесе, жоғары температуралық фазада симметрия өздігінен бұзылу салдарынан төмен температуралық фазаға қарағанда көбірек симметриялар болады, кейбір жағдайларда кездейсоқ симметрияларды ескермегенде (мысалы, тек төмен температурада ғана пайда болатын ауыр виртуалды бөлшектердің пайда болуы).

Тапсырыс параметрлері

Рет параметрі – фазалық ауысу жүйесіндегі шекаралардағы реттілік дәрежесінің өлшемі; ол әдетте бір фазада нөлге (әдетте сындық нүктеден жоғары) тең болып, екінші фазада нөлден өзгеше болады. Сындық нүктеде рет параметрінің сезімталдығы әдетте шексіздікке ұшырайды. Рет параметрінің мысалы – фазалық ауысуға ұшыраған ферромагниттік жүйедегі жалпы магниттелу. Сұйық/газ ауысулары үшін рет параметрі – тығыздықтардың айырмасы. Теориялық тұрғыдан алғанда, рет параметрлері симметрияның бұзылуынан туындайды. Мұндай жағдайда жүйенің күйін сипаттау үшін бір немесе бірнеше қосымша айнымалы енгізілуі қажет. Мысалы, ферромагниттік фазада жүйе Кюри нүктесінен төмен салқындаған кезде, оның бағыты спонтанды түрде таңдалған жалпы магниттелуді анықтау қажет. Алайда, рет параметрлерін симметрияны бұзбайтын ауысулар үшін де анықтауға болады. Кейбір фазалық ауысулар, мысалы, суперөткізгіштік және ферромагниттік, бірнеше еркіндік дәрежесі үшін рет параметрлеріне ие болуы мүмкін. Мұндай фазаларда рет параметрі кешенді сан, вектор немесе тіпті тензор түрінде болуы мүмкін, оның модулі фазалық ауысу кезінде нөлге жақындайды. Фазалық ауысуларды сипаттау үшін бұзылу параметрлері де қолданылады. Олар бұранда немесе ақау сызықтары сияқты сызықтық қоздырғыштардың бар екенін көрсетеді.

Космологиядағы маңызы

Симметрияны бұзатын фазалық ауысулар космологияда маңызды рөл атқарады. Әлем кеңейіп, салқындаған сайын, вакуум симметрияны бұзатын фазалық ауысулар сериясынан өтті. Мысалы, электроәлсіз ауысу SU(2)×U(1) симметриясын бұзып, қазіргі электромагниттік өрістің U(1) симметриясына дейін жеткізді. Электроәлсіз бариогенез теориясына сәйкес, бұл ауысу бүгінгі әлемдегі материя мен антиматерия мөлшері арасындағы асимметрияны түсіндіру үшін маңызды. Эрик Чейсон мен Дэвид Лейзердің жұмыстары көрсеткендей, кеңейіп жатқан әлемдегі прогрессивті фазалық ауысулар әлемдегі тәртіптің қалыптасуына ықпал етеді. Сондай-ақ, реляциялық тәртіп теориялары және тәртіп пен тәртіпсіздік туралы да қараңыз.

Критикалық экспоненттер мен әмбебаптық сыныптар

Тұрақты фазалық ауысуларды зерттеу, жасырын жылудың болмауына байланысты, бірінші реттік ауысуларды зерттеуге қарағанда оңайырақ, және олардың көптеген қызықты қасиеттері бар екені анықталды. Тұрақты фазалық ауысулармен байланысты құбылыстар, олардың сындық нүктелермен байланысына байланысты, сындық құбылыстар деп аталады. Тұрақты фазалық ауысулар критикалық экспоненттер деп аталатын параметрлермен сипатталуы мүмкін. Ең маңыздысы, ауысуға жақындағанда жылулық корреляция ұзындығының өзгеруін сипаттайтын экспонент болар сіңір. Мысалы, мұндай ауысудың жанындағы жылу сыйымдылығының мінез-құлқын қарастырайық. Жүйенің температурасын өзгертеміз, басқа термодинамикалық айнымалыларды тұрақты ұстаймыз, және ауысу белгілі бір критикалық температура Tc-де жүреді. T, Tc-ге жақын болғанда, жылу сыйымдылығы C әдетте қуат заңына сәйкес келеді: Аморфты материалдардың жылу сыйымдылығы шыны тәріздес ауысу температурасына жақын осындай мінез-құлық көрсетеді, онда жалпыға ортақ критикалық экспонент α = 0.59-қа тең. Ұқсас мінез-құлық, бірақ α орнына ν экспонентімен, корреляция ұзындығы үшін де қолданылады. ν көрсеткіші оң. Бұл α көрсеткішіннен өзгеше. Оның нақты мәні қарастырылып отырған фазалық ауысу түріне байланысты. Критикалық экспоненттер міндетті түрде критикалық температураның жоғары және төменгі жағында бірдей болмайды. Тұрақты симметрия, (қайта нормалау тобының мағынасында) маңызды емес анизотропиялар арқылы дискретті симметрияға бұзылғанда, кейбір экспоненттер (мысалы, сезімталдық экспоненті) бірдей болмайды. −1 < α < 0 болғанда, жылу сыйымдылығы ауысу температурасында "бұрылыс" көрсетеді. Бұл сұйық гелийдің қалыпты күйден суперсұйық күйге өтудегі Ламбда ауысуының мінез-құлқы, онда тәжірибелер α = −0.013 ± 0.003 екенін көрсетті. Сынамадағы қысымның айырмашылығын азайту үшін кем дегенде бір тәжірибе орбиталық спутниктің нөлдік гравитациялық жағдайында жүргізілді. α-ның бұл эксперименталдық мәні вариациялық бұзылыс теориясына негізделген теориялық болжамдармен сәйкес келеді. 0 < α < 1 болғанда, жылу сыйымдылығы ауысу температурасында шексіздікке жетеді (бірақ α < 1 болғандықтан, энтальпия шекті болып қалады). Мұндай мінез-құлықтың мысалы – 3D ферромагниттік фазалық ауысу. Үш өлшемді Исинг моделінде бір осьті магниттер үшін егжей-тегжейлі теориялық зерттеулер α ≈ +0.110 экспонентін берді. Кейбір модельдік жүйелер қуат заңына бағынбайды. Мысалы, орталық өріс теориясы ауысу температурасында жылу сыйымдылығының шекті үзілісін болжайды, ал екі өлшемді Исинг моделі логарифмдік шексіздікке ие. Алайда, бұл жүйелер шекті жағдайлар болып табылады және ережеден ерекшеліктер. Нақты фазалық ауысулар қуат заңына сәйкес мінез-құлық көрсетеді. Бірнеше басқа да критикалық экспоненттер, β, γ, δ, ν және η, фазалық ауысуға жақын өлшенетін физикалық шаманың қуат заңын қарастырып анықталады. Экспоненттер масштабталу қатынастары арқылы байланысты, мысалы, тек екі тәуелсіз экспоненттер бар екенін көрсетуге болады, мысалы ν және η. Әртүрлі жүйелерде пайда болатын фазалық ауысулар көбінесе бірдей критикалық экспоненттерге ие болады. Бұл құбылыс жалпыға ортақ құбылыс деп аталады. Мысалы, сұйық-газдың сындық нүктесіндегі критикалық экспоненттер сұйықтың химиялық құрамына тәуелсіз екені анықталды. Одан да таңғаларлық жайт, бірақ жоғарыдан қарағанда түсінікті, олар бір осьті магниттердегі ферромагниттік фазалық ауысудың критикалық экспоненттерімен дәл сәйкес келеді. Мұндай жүйелер бірдей универсалдылық класына жатады деп айтылады. Универсалдылық – фазалық ауысулардың қайта нормалау тобы теориясының болжамы, онда фазалық ауысуға жақын жүйенің термодинамикалық қасиеттері өлшемділік және симметрия сияқты аз ғана ерекшеліктерге ғана байланысты екенін және жүйенің микроскопиялық қасиеттеріне сезімтал емес екенін көрсетеді. Мұнда да корреляция ұзындығының өзгеруі маңызды.

Басты құбылыстар

Сонымен қатар басқа да маңызды құбылыстар бар; мысалы, статикалық функциялардан өзге, критикалық динамика да бар. Осының салдарынан, фазалық өту кезінде критикалық баяулау немесе жеделдеу байқалуы мүмкін. Бұл құбылысқа байланысты, жүйенің бастапқы фазасының тұрақтылығы төмендегендіктен, фазалық өту алдындағы ауытқулардың күшеюі де кездеседі. Үлкен статикалық әмбебаптық кластар үздіріссіз фазалық өтуде кіші динамикалық әмбебаптық кластарға бөлінеді. Критикалық көрсеткіштерден басқа, магниттік өрістердің және температураның критикалық мәннен айырмашылығына қатысты белгілі бір статикалық немесе динамикалық функциялар үшін де әмбебап байланыстар бар.

Биологиялық жүйелердегі фазалық ауысулар

Фазалық ауысулар биологиялық жүйелерде маңызды рөлдердің бірін ойнайды. Мысалдарға липидтік екі қабаттың қалыптасуы, ақуыздың бүктелуі және ДНК-ның еру процесіндегі катушка-глобула ауысуы, ДНК конденсациясы процесіндегі сұйық кристал тәрізді ауысулар, сондай-ақ ДНК мен ақуыздарға фазалық ауысу сипатындағы кооперативтік лигандтың байланысуы жатады. Биологиялық мембраналарда гельден сұйық кристалдық фазаға ауысу биомембраналардың физиологиялық функциясында маңызды рөл атқарады. Гель фазасында мембраналық липидтің майлы ацил тізбектерінің төмен сұйықтығы мембраналық ақуыздардың қозғалысын шектейді, осылайша олардың физиологиялық рөлін орындауына кедергі келтіреді. Өсімдіктер хлоропласт тилакоидты мембраналардың фотосинтезіне өте тәуелді, олар суық қоршаған орта температурасына ұшырайды. Тилакоидты мембраналар тіпті салыстырмалы түрде төмен температурада да өзіне тән сұйықтығын сақтайды, себебі олардың жоғары линолен қышқылының мөлшері (18 көміртекті тізбек, 3 қос байланысы бар) жоғары дәрежеде майлы ацил тәртіпсіздігіне мүмкіндік береді. Биологиялық мембраналардың гельден сұйық кристалдық фазаға ауысу температурасын калориметрия, флуоресценция, спиндік белгілер электронды парамагниттік резонанс және ЯМР сияқты көптеген әдістермен анықтауға болады, бұл үшін үлгі температураларының қатары бойынша тиісті параметрдің өлшеулерін жазу қажет. 13C ЯМР сызықтарының интенсивтілігінен анықтаудың қарапайым әдісі де ұсынылған. Кейбір биологиялық жүйелердің сындық нүктелерге жақын орналасуы мүмкін деген гипотеза бар. Мысалдарға саламандраның торлы қабығындағы нейрондық желілер, құстардың үйірлеріндегі гендік экспрессия желілері, Drosophila және ақуыздың бүктелуі жатады. Алайда, сындылыққа қатысты аргументтерді қолдайтын кейбір құбылыстарды түсіндіруге басқа себептердің де болатыны белгісіз. Сондай-ақ, биологиялық организмдер фазалық ауысудың екі негізгі қасиетін бөліседі деп ұсынылған: макроскопиялық мінез-құлқының өзгеруі және жүйенің сындық нүктедегі үйлесімділігі. Фазалық ауысулар биологиялық жүйелердегі моторлық мінез-құлқының маңызды ерекшелігі болып табылады. Өздігінен жүріс-тұрыстың ауысуы, сондай-ақ шаршауға байланысты моторлық тапсырманы тоқтату, бұрынғы тұрақты моторлық мінез-құлқы үлгісінің кенеттен сапалық өзгеруінің белгісі ретінде типтік сындық мінез-құлқы көрсетеді. Екінші реттік фазалық ауысудың ерекшелігі - кейбір масштабсыз қасиеттерде фракталдардың пайда болуы. Глобулалардың сумен өзара әрекеттесу арқылы қалыптасатыны бұрыннан мәлім. Ақуыз пептидтік тізбектеріндегі жанама топтарды құрайтын 20 аминқышқылы бар, олар гидрофильдіден гидрофобтыққа дейін ауытқып, ал соңғылары глобуланың ортасына жақын орналасады. Еріткішпен байланысты 5000-нан астам белдік сегменттерінен тұратын 20 фрактал табылды. Бұл фракталдардың болуы ақуыздардың екінші реттік фазалық ауысудың сындық нүктелеріне жақын жұмыс істейтінін көрсетеді. Стресс жағдайындағы организмдер тобында (критикалық ауысуларға жақындаған кезде) өзара байланыстардың күшеюіне және ауытқулардың артуына бейімділік байқалады. Бұл әсерді адамдар, егеуқұйрықтар, ағаштар және шөптесін өсімдіктер тобының көптеген эксперименттері мен байқаулары растайды.