相穩(wěn)定性及其限制是材料熱力學(xué)的核心關(guān)注點。然而，化學(xué)系統(tǒng)中平衡液體穩(wěn)定性的溫度限制僅在恒定（通常是大氣壓）壓力條件下被廣泛表征，其中這些限制由共晶表示。

在較高壓力下，共晶的溫度和化學(xué)成分都會發(fā)生變化，打開了一個寬的熱力學(xué)參數(shù)空間，在該空間中可能存在液體穩(wěn)定性的絕對極限，即在起作用的熱力學(xué)力的任意值（此處為壓力和濃度）下的極限。

2024年12月18日，德克薩斯A&M大學(xué)Matthew J. Powell-Palm、華盛頓大學(xué)Baptiste Journaux在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《On the equilibrium limit of liquid stability in pressurized aqueous systems》的研究論文，Arian Zarriz為論文第一作者，Matthew J. Powell-Palm、Baptiste Journaux為論文共同通訊作者。

Matthew J. Powell-Palm，德克薩斯A&M大學(xué)助理教授。2015年、2016年本碩畢業(yè)于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，2020年在加州大學(xué)伯克利分校獲得博士學(xué)位。

Matthew J. Powell-Palm的研究興趣為材料與生物熱力學(xué)；器官和組織冷凍保存；高性能液體中的熵工程；熱電偶余熱回收工藝；高維熱力學(xué)和相圖；亞穩(wěn)態(tài)和非平衡態(tài)；過冷、成核和玻璃化過程；醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和保護生物學(xué)中的熱力學(xué)干預(yù)；冰冷世界的行星熱力學(xué)。

Baptiste Journaux，華盛頓大學(xué)助理教授。2013年博士畢業(yè)于法國里昂高等師范學(xué)院。其當(dāng)前主要研究深地外海洋條件、冰冷的海洋世界和地球物理學(xué)、高壓礦物物理學(xué)、基礎(chǔ)熱力學(xué)、NASA蜻蜓任務(wù)。

在這項工作中，作者首次在幾種二元鹽水中使用等容冷凍和熔化方法測量了這種絕對極限，并根據(jù)“共晶”的詞源，將其命名為“cenotectic”（來自希臘語“κοιν??-τ?edit??”） ，意思是“普遍融化”。

作者討論這些發(fā)現(xiàn)對太陽系內(nèi)海洋世界和寒冷海洋系外行星的影響；使用測得的冰川壓力估計冰殼厚度和最終海洋深度（冰川或“末期”海洋）的熱力學(xué)極限；最后提供了這個基本熱力學(xué)不變點的廣義熱力學(xué)觀點（和定義）。

圖1：水和一種類似鹽的溶質(zhì)的二元溶液

圖2：二元溶液的共晶壓力-溫度（P-T）曲線

圖3：概念性的壓力-溫度-濃度相圖

圖4：一個冰冷衛(wèi)星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及涉及共晶和共熔的地質(zhì)過程

圖5：不同行星體和海洋系外行星候選者的最終共熔海洋深度（共熔深度）的演變

綜上，作者研究了在加壓水基系統(tǒng)中液態(tài)穩(wěn)定性的平衡極限，首次通過等容冷凍和熔化實驗測量了幾個二元鹽水的絕對穩(wěn)定性極限，并將其命名為“共熔點”（cenotectic）。

研究結(jié)果對于理解太陽系內(nèi)海洋世界和寒冷海洋系外行星的海洋動力學(xué)、冰殼厚度和最終海洋深度具有重要意義，并且為材料熱力學(xué)提供了一個關(guān)于液態(tài)穩(wěn)定性極限的廣義視角。

該研究不僅加深了對水-冰相穩(wěn)定性在高壓條件下的理解，還為行星科學(xué)、低溫保存技術(shù)以及材料熱力學(xué)的多相平衡研究提供了新的理論基礎(chǔ)和實驗數(shù)據(jù)。

這項研究未來有望應(yīng)用在太陽系中冰冷衛(wèi)星和海洋系外行星的地質(zhì)和熱力學(xué)演化的深入研究，以及在低溫生物保存和材料科學(xué)中。

Zarriz, A., Journaux, B. & Powell-Palm, M.J. On the equilibrium limit of liquid stability in pressurized aqueous systems.Nat Commun?15, 10666 (2024).