Экспериментальное наблюдение фазового перехода «жидкость-жидкость»: тонкая структура спектра рэлеевского рассеяния света в водных растворах неэлектролита

I. Введение
В однокомпонентных жидкостях и растворах из-за отсутствия дальнего кристаллического порядка не могут осуществляться характерные для твердых тел фазовые переходы типа «порядок-беспорядок». Ситуация может оказаться принципиально иной для однокомпонентных жидкостей, имеющих квазикристаллическую структуру, когда ближний кристаллический порядок захватывает по меньшей мере несколько межмолекулярных расстояний, или же для многокомпонентных жидкостей, в которых из-за особенностей характера межмолекулярных взаимодействий возможно возникновение иерархии надмолекулярных структур на нано-размерных пространственно-временных масштабах [1,2].
Вопрос о возможности существования различных фаз в жидкостях и, соответственно, о существовании фазовых переходов типа «жидкость-жидкость» неоднократно обсуждался в последнее время. Экспериментальные факты, указывающие на проявление такого рода переходов, перечислены в работах [3-6]. Однако, эти переходы не признаются достаточно убедительно доказанными и существование фазовых переходов типа «жидкость-жидкость» остается одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния вещества и физики фазовых переходов и критических явлений.
Актуальность проведения исследований в этом направлении определяется, во-первых, необходимостью поиска и обнаружения объектов, в которых осуществляются фазовые переходы типа «жидкость-жидкость», и, во-вторых, необходимостью применения адекватных экспериментальных методов, позволяющих достоверно идентифицировать и изучать фазовые превращения такого рода.
Перспективным объектом для исследований являются водные растворы ряда неэлектролитов, обладающие частично свойствами расслаивающихся растворов – так называемые растворы с особой точкой на диаграмме состояния в координатах температура-концентрация. Наличие непрерывной трехмерной сетки водородных связей молекул воды [7] и гетерофункциональность молекул неэлектролита, проявляющаяся в их способности принимать участие как в гидрофобных, так и в гидрофильных типах межмолекулярных взаимодействий позволяет предполагать потенциальную возможность реализации в этих объектах широкого спектра типов структурной организации компонентов в зависимости от температуры раствора и концентрации неэлектролита [8-11].
Исследования скорости распространения гиперзвука по спектрам рассеяния света Мандельштама-Бриллюэна в растворе гваякол-глицерин с особой точкой [12] выявили ряд интересных физических явлений, требующих своего объяснения: 1) существенное различие в температурных коэффициентах скорости гиперзвука при температурах выше и ниже температуры особой точки; 2) значительную дисперсию скорости звука и ее необычное температурное поведение, нехарактерное для обычных жидкостей. Результаты исследований позволили авторам [12] предположить существование различных фаз в растворе в температурных интервалах выше и ниже температуры особой точки, а развитый на этом предположение теоретический подход – по-крайней мере качественно описать основные наблюдаемые в эксперименте особенности распространения высокочастотного звука в этом растворе.
По мнению авторов работы [12] при температурах ниже особой точки в растворе возможно существование упорядоченных областей (кластеров), т.е. среднего порядка. Причем, упорядоченные области – это не флуктуационно возникающие образования, а структурный элемент этой фазы раствора. Авторы [12] выдвигают также и предположение о том, что в жидкостях может существовать и не одна, а несколько упорядоченных фаз, различающихся характером среднего порядка.
Водные растворы пиколинов, обладающие особой точкой, представляют собой удобный объект для поиска и изучения фаз, характеризующихся различным средним порядком или различной структурной организацией компонентов. Температура особой точки в них сравнительно высока (~70 °С), что дает возможность провести эксперимент в широком температурном интервале ниже особой точки и, соответственно, получить надежные данные о возможности существования в жидкостях фаз с различным средним порядком.
В настоящей работе нами представлены некоторые результаты изучения спектров рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в водных растворах -пиколина. Помимо раствора с концентрацией -пиколина, соответствующей особой точке (х=0.06 м.д.), были изучены также и «некритические» растворы с концентрациями 0.005, 0.015, 0.03, 0.05 и 0.08 м.д. неэлектролита. По спектрам рассеянного света были измерены величины смещения компонент Мандельштама-Бриллюэна (КМБ)  при различных температурах и определены температурные коэффициенты смещения B=d(/dt (т.е. производные смещения КМБ по температуре).