Hoćemo li ikada znati sva stanja materije? Umjesto tri, petsto

Prošle godine mediji su širili informaciju da je "nastao oblik materije", koji bi se mogao nazvati supertvrdim ili, na primjer, zgodnijim, iako manje poljskim, supertvrdim. Dolazeći iz laboratorija znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology, riječ je o svojevrsnoj kontradiktornosti koja spaja svojstva krutih tvari i superfluida – t.j. tekućine s nultom viskoznošću.

Fizičari su i ranije predviđali postojanje supernatanta, ali do sada ništa slično nije pronađeno u laboratoriju. Rezultati istraživanja znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology objavljeni su u časopisu Nature.

"Tvar koja kombinira superfluidnost i čvrsta svojstva prkosi zdravom razumu", napisao je vođa tima Wolfgang Ketterle, profesor fizike na MIT-u i dobitnik Nobelove nagrade 2001. godine.

Kako bi shvatio ovaj kontradiktorni oblik materije, Ketterleov tim manipulirao je gibanjem atoma u superčvrstom stanju u drugom neobičnom obliku materije zvanom Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). Ketterle je jedan od otkrića BEC-a, koji mu je donio Nobelovu nagradu za fiziku.

"Izazov je bio dodati nešto kondenzatu što bi dovelo do toga da se on razvije u oblik izvan 'atomske zamke' i dobije karakteristike krutine", objasnio je Ketterle.

Istraživački tim koristio je laserske zrake u ultravisokoj vakuumskoj komori za kontrolu kretanja atoma u kondenzatu. Izvorni set lasera korišten je za transformaciju polovice BEC atoma u drugu spinsku ili kvantnu fazu. Tako su stvorene dvije vrste BEC-a. Prijenos atoma između dva kondenzata uz pomoć dodatnih laserskih zraka uzrokovao je spin promjene.

"Dodatni laseri dali su atomima dodatni energetski poticaj za spin-orbitno spajanje", rekao je Ketterle. Dobivena tvar, prema predviđanju fizičara, trebala je biti "supertvrda", budući da bi kondenzate s konjugiranim atomima u okretnoj orbiti karakterizirala spontana "modulacija gustoće". Drugim riječima, gustoća materije prestala bi biti konstantna. Umjesto toga, imat će fazni uzorak sličan kristalnoj krutini.

Daljnja istraživanja supertvrdih materijala mogu dovesti do boljeg razumijevanja svojstava superfluida i supravodnika, što će biti kritično za učinkovit prijenos energije. Supertvrdi bi također mogli biti ključ za razvoj boljih supravodljivih magneta i senzora.

Ne stanja agregacije, već faze

Je li supertvrdo stanje tvar? Odgovor koji daje moderna fizika nije tako jednostavan. Iz škole se sjećamo da je fizičko stanje tvari glavni oblik u kojem se tvar nalazi i određuje njezina osnovna fizikalna svojstva. Svojstva tvari određena su rasporedom i ponašanjem njezinih sastavnih molekula. Tradicionalna podjela agregatnih stanja iz XNUMX. stoljeća razlikuje tri takva stanja: čvrsto (čvrsto), tekuće (tekuće) i plinovito (plin).

Međutim, trenutno se čini da je faza materije točnija definicija oblika postojanja materije. Svojstva tijela u pojedinim stanjima ovise o rasporedu molekula (ili atoma) od kojih se ta tijela sastoje. S ove točke gledišta, stara podjela na agregirajuća stanja vrijedi samo za neke tvari, budući da su znanstvena istraživanja pokazala da se ono što se prije smatralo jednim agregacijskim stanjem zapravo može podijeliti na mnoge faze tvari koje se razlikuju po prirodi. konfiguracija čestica. Postoje čak i situacije kada se molekule u istom tijelu mogu u isto vrijeme različito rasporediti.

Štoviše, pokazalo se da se kruto i tekuće stanje mogu ostvariti na razne načine. Broj faza materije u sustavu i broj intenzivnih varijabli (npr. tlak, temperatura) koje se mogu mijenjati bez kvalitativne promjene u sustavu opisani su Gibbsovim faznim principom.

Promjena faze tvari može zahtijevati opskrbu ili primanje energije - tada će količina energije koja teče biti proporcionalna masi tvari koja mijenja fazu. Međutim, neki fazni prijelazi se događaju bez unosa ili izlaza energije. Zaključak o promjeni faze donosimo na temelju koraka promjene nekih veličina koje opisuju ovo tijelo.

U najopsežnijoj do sada objavljenoj klasifikaciji nalazi se oko pet stotina agregatnih stanja. Mnoge tvari, posebice one koje su mješavine različitih kemijskih spojeva, mogu postojati istovremeno u dvije ili više faza.

Moderna fizika obično prihvaća dvije faze - tekuću i krutu, pri čemu je plinovita faza jedan od slučajeva tekuće faze. U potonje spadaju razne vrste plazme, već spomenuta superstrujna faza i niz drugih agregatnih stanja. Čvrste faze predstavljene su različitim kristalnim oblicima, kao i amorfnim oblikom.

Topološka zavija

Izvješća o novim "agregatnim stanjima" ili teško definiranim fazama materijala stalni su repertoar znanstvenih vijesti posljednjih godina. Istodobno, pripisivanje novih otkrića jednoj od kategorija nije uvijek jednostavno. Prethodno opisana superkruta tvar vjerojatno je čvrsta faza, no možda fizičari imaju drugačije mišljenje. Prije nekoliko godina u sveučilišnom laboratoriju

U Coloradu, na primjer, od čestica galijevog arsenida stvorena je kapljica – nešto tekuće, nešto čvrsto. Godine 2015. međunarodni tim znanstvenika predvođen kemičarem Cosmasom Prasidesom sa Sveučilišta Tohoku u Japanu najavio je otkriće novog stanja materije koje kombinira svojstva izolatora, supravodnika, metala i magneta, nazvavši ga metalom Jahn-Teller.

Postoje i netipična "hibridna" agregatna stanja. Na primjer, staklo nema kristalnu strukturu i stoga se ponekad klasificira kao "prehlađena" tekućina. Nadalje - tekući kristali koji se koriste u nekim zaslonima; kit - silikonski polimer, plastični, elastični ili čak krhki, ovisno o brzini deformacije; super-ljepljiva, samotekuća tekućina (jednom kada se pokrene, prelijevanje će se nastaviti sve dok se ne potroši zaliha tekućine u gornjoj čaši); Nitinol, legura s pamćenjem oblika nikla i titana, ispravit će se na toplom zraku ili tekućini kada se savije.

Klasifikacija postaje sve složenija. Moderne tehnologije brišu granice između stanja materije. Dolaze do novih otkrića. Dobitnici Nobelove nagrade za 2016. - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane i J. Michael Kosterlitz - povezali su dva svijeta: materiju koja je predmet fizike i topologiju koja je grana matematike. Shvatili su da postoje netradicionalni fazni prijelazi povezani s topološkim defektima i netradicionalne faze materije - topološke faze. To je dovelo do lavine eksperimentalnog i teorijskog rada. Ova lavina još uvijek teče vrlo brzo.

Neki ljudi ponovno vide XNUMXD materijale kao novo, jedinstveno stanje materije. Ovu vrstu nanomreže - fosfat, stanen, borofen ili, konačno, popularni grafen - poznajemo već dugi niz godina. Spomenuti dobitnici Nobelove nagrade posebno su se bavili topološkom analizom ovih jednoslojnih materijala.

Čini se da je staromodna znanost o stanjima materije i fazama materije daleko napredovala. Daleko više od onoga što se još možemo sjećati s lekcija fizike.