科学家们利用光纤封装技术开发出一种创新方法，用于研究具有负压力的亚稳态液体。这项技术利用光和声波来简化压力的测量，为热力学和化学反应领域的新发现铺平了道路。

作为一种物理量，压力在各个领域中都会出现：气象学中的大气压力、医学中的血压，甚至在日常生活中通过压力锅和真空食品密封也能感受到。

压力被定义为作用在固体、液体或气体表面上的单位面积力。在封闭系统中，力作用的方向不同，极高的压力可能导致爆炸反应，而极低的压力可能导致系统本身的内爆。

过压意味着气体或液体从内部向容器的壁压力。就像我们给气球充气时，气球会逐渐膨胀。在正常情况下，不论是高压还是低压，压力的数值都是正数。

液体中的亚稳态

然而，液体具有一种特殊的特性。它们可以存在于具有负压力值的特定亚稳态中。

在这种亚稳态中，即使微小的外部影响也会导致系统崩溃到一个或另一个状态。可以将其想象为坐在过山车的最高点，稍微触碰一下就会冲下坡道。

在他们当前的研究中，科学家们正在研究具有负压力的液体的亚稳态。为了实现这一目标，研究团队在发表于《自然物理》杂志的一项研究中，结合了两种独特的技术，用于测量液体的各种热力学状态。

最初，微小的液体量（纳升级）被封装在完全封闭的光纤中，以实现高正压和负压。随后，利用光和声波在液体中的特定相互作用，能够敏感地测量在液体不同状态下压力和温度的影响。声波作为探测器，探索负压力的值，以高精度和详细的空间分辨率研究这种独特物质状态。

负压的影响和测量技术

负压对液体的影响可以想象为：根据热力学定律，液体的体积会减小，但由于粘性力的作用，液体被保留在玻璃纤维毛细管中，就像水滴附着在手指上一样。这导致液体的 "拉伸"。它被拉开并表现出像被拉伸的橡皮筋一样的行为。

通常，测量这种奇特状态需要复杂的设备并采取高度安全措施。高压可能会带来危险，尤其是使用有毒液体时。本研究使用的二硫化碳属于这一类别。由于这种复杂性，以往用于生成和测定负压的测量设备需要大量的实验室空间，并且甚至对亚稳态系统产生干扰。

通过本文提出的方法，研究人员设计了一个微小而简单的装置，使用光和声波可以非常精确地测量压力。用于此目的的纤维只有人发丝那么粗。

研究人员的评论

"有些难以通过常规和已建立的方法进行探索的现象，当新的测量方法与新颖的平台结合时，可以意外地变得易于访问。我觉得这很令人兴奋。" MPL 量子光声学研究团队的负责人 Birgit Stiller 博士说。该团队所使用的声波能够非常敏感地检测光纤上的温度、压力和应变变化。此外，还可以进行空间分辨率测量，即声波可以提供光纤内部情况的以厘米为尺度的分辨率图像。

"我们的方法使我们能够更深入地理解这种独特的基于纤维的系统中的热力学依赖关系。" 文章的两位主要作者之一 Alexandra Popp 说。另一位主要作者 Andreas Geilen 补充道："测量结果揭示了一些令人惊讶的效应。观察负压区域时看到声波频率的变化非常明显。"

潜在应用和结论

光声测量与密封毛细管纤维的结合使得可以在其他难以研究的材料和微反应器中监测有毒液体中的化学反应，探索新的、难以接触的热力学领域。

来自耶拿 IPHT 的 Markus Schmidt 教授表示："这种全封闭液体芯光纤的新平台为高压和其他热力学领域的研究提供了途径。" 同样来自耶拿 IPHT 的 Mario Chemnitz 博士强调："探索并甚至调控这种类型光纤中的非线性光学现象是非常有趣的。"

这些现象可以揭示材料独特的热力学状态中以前未被探索过的潜在新特性。

Birgit Stiller 总结道："我们在埃尔朗根和耶拿的研究团队之间的合作是独特的，凭借各自的专业知识，在微小且易于操作的光学平台上获得新的热力学过程和状态的洞见。"