Hoćemo li ikada saznati sva stanja materije? Umjesto tri, pet stotina

Prošle godine mediji su širili informaciju da je "nastao oblik materije", koji bi se mogao nazvati supertvrdim ili, na primjer, zgodnijim, iako manje poljski, supertvrdim. Dolazeći iz laboratorija naučnika Massachusetts Institute of Technology, to je svojevrsna kontradikcija koja kombinuje svojstva čvrstih materija i superfluida – tj. tečnosti sa nultom viskoznošću.

Fizičari su i ranije predviđali postojanje supernatanta, ali do sada ništa slično nije pronađeno u laboratoriji. Rezultati studije naučnika sa Massachusetts Institute of Technology objavljeni su u časopisu Nature.

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

Da bi shvatio ovaj kontradiktorni oblik materije, Ketterleov tim je manipulirao kretanjem atoma u superčvrstom stanju u drugom neobičnom obliku materije zvanom Bose-Einstein 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 on evoluira u oblik izvan 'atomske zamke' i dobije karakteristike čvrste tvari,” objasnio je Ketterle.

Istraživački tim je koristio laserske zrake u ultravisokom vakuumskoj komori za kontrolu kretanja atoma u kondenzatu. Originalni set lasera korišten je za transformaciju polovine BEC atoma u drugu spin 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 su atomima dali dodatni energetski poticaj za spin-orbitno spajanje", rekao je Ketterle. Dobivena supstanca je, prema predviđanju fizičara, trebala biti "supertvrda", jer bi kondenzate sa konjugovanim atomima u spin orbiti karakterisala spontana "modulacija gustine". Drugim rečima, gustina materije bi prestala da bude konstantna. Umjesto toga, imat će fazni uzorak sličan kristalnoj čvrstoj tvari.

Dalja istraživanja supertvrdih materijala mogu dovesti do boljeg razumijevanja svojstava superfluida i superprovodnika, što će biti kritično za efikasan prijenos energije. Supertvrdi također mogu biti ključ za razvoj boljih supravodljivih magneta i senzora.

Ne stanja agregacije, već faze

Da li je supertvrdo stanje supstanca? Odgovor koji daje savremena fizika nije tako jednostavan. Iz škole se sjećamo da je fizičko stanje materije glavni oblik u kojem se supstanca nalazi i određuje njena osnovna fizička svojstva. Svojstva tvari određuju raspored i ponašanje njenih sastavnih molekula. Tradicionalna podela agregatnih stanja iz XNUMX. veka razlikuje tri takva stanja: čvrsto (čvrsto), tečno (tečno) i gasovito (gas).

Međutim, trenutno se čini da je faza materije tačnija definicija oblika postojanja materije. Svojstva tijela u pojedinačnim stanjima zavise od rasporeda molekula (ili atoma) od kojih se ta tijela sastoje. S ove tačke gledišta, stara podjela na agregirajuća stanja vrijedi samo za neke supstance, budući da su naučna istraživanja pokazala da se ono što se ranije smatralo jednim agregacijskim stanjem zapravo može podijeliti na mnoge faze tvari koje se razlikuju po prirodi. konfiguraciju čestica. Postoje čak i situacije kada molekuli u istom tijelu mogu biti različito raspoređeni u isto vrijeme.

Štaviše, pokazalo se da se čvrsto i tečno stanje mogu realizovati na različite načine. Broj faza materije u sistemu i broj intenzivnih varijabli (na primjer, pritisak, temperatura) koje se mogu mijenjati bez kvalitativne promjene u sistemu 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 javljaju bez unosa ili izlaza energije. Zaključak o promjeni faze izvodimo na osnovu koraka promjene nekih veličina koje opisuju ovo tijelo.

U najopsežnijoj klasifikaciji objavljenoj do danas, ima oko pet stotina agregatnih stanja. Mnoge supstance, posebno one koje su mešavine različitih hemijskih jedinjenja, mogu postojati istovremeno u dve ili više faza.

Moderna fizika obično prihvata dvije faze - tečnu i čvrstu, pri čemu je plinovita faza jedan od slučajeva tečne faze. Potonji uključuju različite vrste plazme, već spomenutu superstrujnu fazu i niz drugih stanja materije. Čvrste faze su predstavljene različitim kristalnim oblicima, kao i amorfnim oblikom.

Topological zawiya

Izveštaji o novim "agregatnim stanjima" ili teško definisanim fazama materijala bili su stalni repertoar naučnih vesti poslednjih godina. Istovremeno, pripisivanje novih otkrića jednoj od kategorija nije uvijek lako. Ranije opisana superčvrsta supstanca je verovatno čvrsta faza, ali možda fizičari imaju drugačije mišljenje. Prije nekoliko godina u univerzitetskoj laboratoriji

U Koloradu, na primjer, kapljica je stvorena od čestica galij arsenida - nešto tečno, nešto čvrsto. U 2015. godini, međunarodni tim naučnika predvođen hemičarem Cosmasom Prasidesom sa Tohoku univerziteta u Japanu objavio je otkriće novog stanja materije koje kombinuje svojstva izolatora, supraprovodnika, metala i magneta, nazvavši ga metalom Jahn-Teller.

Postoje i atipična "hibridna" agregatna stanja. Na primjer, staklo nema kristalnu strukturu i stoga se ponekad klasificira kao "prehlađena" tekućina. Nadalje - tečni kristali koji se koriste u nekim displejima; kit - silikonski polimer, plastika, elastična ili čak krhka, ovisno o brzini deformacije; super-ljepljiva, samotečuća tekućina (kada se pokrene, prelivanje će se nastaviti sve dok se ne iscrpi zaliha tečnosti u gornjoj čaši); Nitinol, legura nikl-titanijum sa memorijom oblika, ispraviće se na toplom vazduhu ili tečnosti kada se savija.

Klasifikacija postaje sve složenija. Moderne tehnologije brišu granice između stanja materije. Ostvaruju se nova 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 i dalje teče veoma brzim tempom.

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

Čini se da je staromodna nauka o stanjima materije i fazama materije prešla dug put. Daleko od onoga čega se još možemo sjetiti sa časova fizike.