Bomo kdaj poznali vsa stanja snovi? Namesto tri, petsto

Lani so mediji širili informacijo, da je »nastala oblika materije«, ki bi ji lahko rekli supertrda ali na primer bolj priročna, čeprav manj poljska, supertrda. Prihaja iz laboratorijev znanstvenikov na Massachusetts Institute of Technology, gre za nekakšno protislovje, ki združuje lastnosti trdnih snovi in ​​superfluidov – t.j. tekočine z nič viskoznostjo.

Fiziki so že prej napovedovali obstoj supernatanta, a doslej v laboratoriju niso našli nič podobnega. Rezultati študije znanstvenikov z Massachusetts Institute of Technology so bili objavljeni v reviji Nature.

"Snov, ki združuje superfluidnost in trdne lastnosti, kljubuje zdravi pameti," je v članku zapisal vodja ekipe Wolfgang Ketterle, profesor fizike na MIT in dobitnik Nobelove nagrade za leto 2001.

Da bi razumeli to protislovno obliko snovi, je Ketterlova ekipa manipulirala z gibanjem atomov v supertrdnem stanju v drugi posebni obliki snovi, imenovani Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). Ketterle je eden od odkrilcev BEC, ki mu je prinesel Nobelovo nagrado za fiziko.

"Izziv je bil kondenzatu dodati nekaj, kar bi povzročilo, da bi se razvil v obliko zunaj 'atomske pasti' in pridobil lastnosti trdne snovi," je pojasnil Ketterle.

Raziskovalna skupina je uporabila laserske žarke v ultravisoki vakuumski komori za nadzor gibanja atomov v kondenzatu. Prvotni niz laserjev je bil uporabljen za preoblikovanje polovice atomov BEC v drugačno spin ali kvantno fazo. Tako sta nastali dve vrsti BEC. Prenos atomov med dvema kondenzatoma s pomočjo dodatnih laserskih žarkov je povzročil spinske spremembe.

"Dodatni laserji so atomom zagotovili dodatno povečanje energije za spin-orbitno spajanje," je dejal Ketterle. Nastala snov bi morala biti po napovedih fizikov "supertrda", saj bi za kondenzate s konjugiranimi atomi v vrtljivi orbiti značilna spontana "modulacija gostote". Z drugimi besedami, gostota snovi bi prenehala biti konstantna. Namesto tega bo imel fazni vzorec, podoben kristalni trdni snovi.

Nadaljnje raziskave supertrdih materialov lahko vodijo do boljšega razumevanja lastnosti superfluidov in superprevodnikov, ki bodo ključnega pomena za učinkovit prenos energije. Supertrdi so lahko tudi ključ do razvoja boljših superprevodnih magnetov in senzorjev.

Ne agregacijskih stanj, ampak faze

Ali je supertrdo stanje snov? Odgovor sodobne fizike ni tako preprost. Iz šole se spominjamo, da je agregatno stanje snovi glavna oblika, v kateri se snov nahaja in določa njene osnovne fizikalne lastnosti. Lastnosti snovi so določene z razporeditvijo in obnašanjem njenih sestavnih molekul. Tradicionalna delitev agregatnih stanj iz XNUMX. stoletja razlikuje tri taka stanja: trdno (trdno), tekoče (tekoče) in plinasto (plin).

Vendar se trenutno zdi, da je faza materije natančnejša opredelitev oblik obstoja materije. Lastnosti teles v posameznih stanjih so odvisne od razporeditve molekul (ali atomov), iz katerih so ta telesa sestavljena. S tega vidika stara delitev na agregatna stanja velja le za nekatere snovi, saj so znanstvene raziskave pokazale, da je tisto, kar je prej veljalo za eno samo agregacijsko stanje, dejansko mogoče razdeliti na številne faze snovi, ki se razlikujejo po naravi. konfiguracijo delcev. Obstajajo celo situacije, ko so lahko molekule v istem telesu hkrati razporejene različno.

Poleg tega se je izkazalo, da je trdno in tekoče stanje mogoče realizirati na različne načine. Število faz snovi v sistemu in število intenzivnih spremenljivk (na primer tlak, temperatura), ki jih je mogoče spremeniti brez kvalitativne spremembe v sistemu, opisuje Gibbsov fazni princip.

Sprememba faze snovi lahko zahteva dobavo ali prejem energije - takrat bo količina energije, ki izteče, sorazmerna z maso snovi, ki spremeni fazo. Vendar pa se nekateri fazni prehodi pojavijo brez vnosa ali izhoda energije. O fazni spremembi sklepamo na podlagi postopnega spreminjanja nekaterih veličin, ki opisujejo to telo.

V najobsežnejši doslej objavljeni klasifikaciji je približno petsto agregatnih stanj. Številne snovi, zlasti tiste, ki so mešanice različnih kemičnih spojin, lahko obstajajo hkrati v dveh ali več fazah.

Sodobna fizika običajno sprejema dve fazi - tekočo in trdno, pri čemer je plinska faza eden od primerov tekoče faze. Med slednje sodijo različne vrste plazme, že omenjena supertočna faza in vrsta drugih agregatnih stanj. Trdne faze predstavljajo različne kristalne oblike, pa tudi amorfna oblika.

Topološka zavija

Poročila o novih "agregatnih stanjih" ali težko definiranih fazah materialov so v zadnjih letih stalni repertoar znanstvenih novic. Hkrati pa uvrščanje novih odkritij v eno od kategorij ni vedno enostavno. Prej opisana supertrdna snov je verjetno trdna faza, morda pa imajo fiziki drugačno mnenje. Pred nekaj leti v univerzitetnem laboratoriju

V Koloradu so na primer iz delcev galijevega arzenida ustvarili kapljico - nekaj tekočega, nekaj trdnega. Leta 2015 je mednarodna skupina znanstvenikov pod vodstvom kemika Cosmasa Prasidesa z univerze Tohoku na Japonskem objavila odkritje novega agregatnega stanja, ki združuje lastnosti izolatorja, superprevodnika, kovine in magneta, in jo poimenovala kovina Jahn-Teller.

Obstajajo tudi netipična "hibridna" agregatna stanja. Na primer, steklo nima kristalne strukture in je zato včasih razvrščeno kot "preohlajena" tekočina. Nadalje - tekoči kristali, ki se uporabljajo v nekaterih zaslonih; kit - silikonski polimer, plastičen, elastičen ali celo krhek, odvisno od stopnje deformacije; zelo lepljiva, samotekoča tekočina (ko se začne, se prelivanje nadaljuje, dokler ne zmanjka zaloge tekočine v zgornjem kozarcu); Nitinol, zlitina spomina oblike nikelj-titan, se bo ob upogibanju poravnala na toplem zraku ali tekočini.

Klasifikacija postaja vedno bolj zapletena. Sodobne tehnologije brišejo meje med agregatnimi stanji. Prihajajo nova odkritja. Nobelovi nagrajenci 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane in J. Michael Kosterlitz - so povezali dva svetova: materijo, ki je predmet fizike, in topologijo, ki je veja matematike. Spoznali so, da obstajajo netradicionalni fazni prehodi, povezani s topološkimi napakami, in netradicionalne faze snovi – topološke faze. To je povzročilo plaz eksperimentalnega in teoretičnega dela. Ta plaz še vedno teče zelo hitro.

Nekateri ljudje spet vidijo XNUMXD materiale kot novo, edinstveno stanje snovi. To vrsto nanomrež - fosfat, stanen, borofen ali končno priljubljeni grafen - poznamo že vrsto let. Omenjeni Nobelovi nagrajenci so bili vključeni predvsem v topološko analizo teh enoslojnih materialov.

Zdi se, da je staromodna znanost o agregatnih stanjih in fazah snovi prišla daleč. Daleč od tega, kar se še spomnimo iz pouka fizike.