Sal ons ooit al die toestande van materie ken? In plaas van drie, vyf honderd
Verlede jaar het die media inligting versprei dat "'n vorm van saak ontstaan het", wat superhard genoem kan word of byvoorbeeld geriefliker, al is dit minder Pools, superhard. Komende van die laboratoriums van wetenskaplikes by die Massachusetts Institute of Technology, is dit 'n soort teenstrydigheid wat die eienskappe van vaste stowwe en supervloeistowwe kombineer - d.w.s. vloeistowwe met geen viskositeit nie.
Fisici het voorheen die bestaan van 'n supernatant voorspel, maar tot dusver is niks soortgelyks in die laboratorium gevind nie. Die resultate van die studie deur wetenskaplikes by die Massachusetts Institute of Technology is in die joernaal Nature gepubliseer.
"'n Stof wat oorvloeibaarheid en vaste eienskappe kombineer, trotseer gesonde verstand," het spanleier Wolfgang Ketterle, professor in fisika aan MIT en 2001 Nobelpryswenner, in die koerant geskryf.
Om sin te maak van hierdie teenstrydige vorm van materie, het Ketterle se span die beweging van atome in 'n supervaste toestand in 'n ander eienaardige vorm van materie genaamd 'n Bose-Einstein-kondensaat (BEC) gemanipuleer. Ketterle is een van die ontdekkers van BEC, wat hom die Nobelprys in Fisika besorg het.
"Die uitdaging was om iets by die kondensaat te voeg wat sou veroorsaak dat dit in 'n vorm buite die 'atomiese lokval' ontwikkel en die eienskappe van 'n vaste stof sou verkry," het Ketterle verduidelik.
Die navorsingspan het laserstrale in 'n ultrahoë vakuumkamer gebruik om die beweging van die atome in die kondensaat te beheer. Die oorspronklike stel lasers is gebruik om die helfte van die BEC-atome in 'n ander spin- of kwantumfase te transformeer. Dus is twee tipes BEC's geskep. Die oordrag van atome tussen twee kondensate met behulp van bykomende laserstrale het spinveranderinge veroorsaak.
"Bykomende lasers het die atome 'n bykomende energie-hupstoot gegee vir spin-baan-koppeling," het Ketterle gesê. Die resulterende stof, volgens die voorspelling van fisici, moes "superhard" gewees het, aangesien kondensate met gekonjugeerde atome in 'n spin-baan deur spontane "digtheidsmodulasie" gekenmerk sou word. Met ander woorde, die digtheid van materie sal ophou om konstant te wees. In plaas daarvan sal dit 'n fasepatroon hê soortgelyk aan 'n kristallyne vaste stof.
Verdere navorsing oor superharde materiale kan lei tot 'n beter begrip van die eienskappe van supervloeistowwe en supergeleiers, wat krities sal wees vir doeltreffende energie-oordrag. Superhards kan ook die sleutel wees om beter supergeleidende magnete en sensors te ontwikkel.
Nie toestande van samevoeging nie, maar fases
Is die superharde toestand 'n stof? Die antwoord wat moderne fisika gee is nie so eenvoudig nie. Ons onthou van skool dat die fisiese toestand van materie die hoofvorm is waarin die stof geleë is en die basiese fisiese eienskappe daarvan bepaal. Die eienskappe van 'n stof word bepaal deur die rangskikking en gedrag van sy samestellende molekules. Die tradisionele verdeling van die toestande van materie van die XNUMXde eeu onderskei drie sulke toestande: vaste stof (vast), vloeistof (vloeibaar) en gasvormig (gas).
Tans blyk dit egter dat die fase van materie 'n meer akkurate definisie van die bestaansvorme van materie is. Die eienskappe van liggame in individuele toestande hang af van die rangskikking van die molekules (of atome) waaruit hierdie liggame saamgestel is. Vanuit hierdie oogpunt is die ou verdeling in toestande van aggregasie slegs waar vir sommige stowwe, aangesien wetenskaplike navorsing getoon het dat wat voorheen as 'n enkele toestand van aggregasie beskou is, eintlik in baie fases van 'n stof verdeel kan word wat van aard verskil. deeltjie konfigurasie. Daar is selfs situasies wanneer molekules in dieselfde liggaam op dieselfde tyd anders gerangskik kan word.
Boonop het dit geblyk dat die vaste en vloeibare toestande op 'n verskeidenheid maniere gerealiseer kan word. Die aantal fases van materie in die sisteem en die aantal intensiewe veranderlikes (byvoorbeeld druk, temperatuur) wat verander kan word sonder 'n kwalitatiewe verandering in die sisteem word beskryf deur die Gibbs-fasebeginsel.
'n Verandering in die fase van 'n stof kan die toevoer of ontvangs van energie vereis - dan sal die hoeveelheid energie wat uitvloei eweredig wees aan die massa van die stof wat die fase verander. Sommige fase-oorgange vind egter plaas sonder energie-invoer of -uitset. Ons maak 'n gevolgtrekking oor die faseverandering op grond van 'n stapverandering in sommige hoeveelhede wat hierdie liggaam beskryf.
In die mees uitgebreide klassifikasie wat tot dusver gepubliseer is, is daar ongeveer vyfhonderd totale state. Baie stowwe, veral dié wat mengsels van verskillende chemiese verbindings is, kan gelyktydig in twee of meer fases bestaan.
Moderne fisika aanvaar gewoonlik twee fases - vloeistof en vaste stof, met die gasfase wat een van die gevalle van die vloeistoffase is. Laasgenoemde sluit verskeie tipes plasma, die reeds genoemde superstroomfase, en 'n aantal ander toestande van materie in. Vaste fases word voorgestel deur verskeie kristallyne vorms, sowel as 'n amorfe vorm.
Topologiese Zawiya
Verslae van nuwe "aggregaattoestande" of moeilik omskryfbare fases van materiale was die afgelope jare 'n konstante repertoire van wetenskaplike nuus. Terselfdertyd is dit nie altyd maklik om nuwe ontdekkings aan een van die kategorieë toe te ken nie. Die supervaste stof wat vroeër beskryf is, is waarskynlik 'n vaste fase, maar miskien het fisici 'n ander mening. 'n Paar jaar gelede in 'n universiteitslaboratorium
In Colorado, byvoorbeeld, is 'n druppel geskep uit deeltjies van galliumarsenied - iets vloeibaar, iets solied. In 2015 het 'n internasionale span wetenskaplikes onder leiding van die chemikus Cosmas Prasides aan die Tohoku Universiteit in Japan die ontdekking aangekondig van 'n nuwe toestand van materie wat die eienskappe van 'n isolator, supergeleier, metaal en magneet kombineer, wat dit die Jahn-Teller-metaal noem.
Daar is ook atipiese "hibriede" aggregaattoestande. Glas het byvoorbeeld nie 'n kristallyne struktuur nie en word daarom soms as 'n "onderverkoelde" vloeistof geklassifiseer. Verder - vloeibare kristalle wat in sommige uitstallings gebruik word; stopverf - silikoon polimeer, plastiek, elasties of selfs bros, afhangende van die tempo van vervorming; super-klewerige, selfvloeiende vloeistof (sodra dit begin is, sal die oorloop voortduur totdat die voorraad vloeistof in die boonste glas uitgeput is); Nitinol, 'n nikkel-titanium-geheue-legering, sal reguit in warm lug of vloeistof wanneer dit gebuig word.
Die klassifikasie word al hoe meer kompleks. Moderne tegnologieë wis die grense tussen die toestande van materie uit. Nuwe ontdekkings word gemaak. Die 2016 Nobelpryswenners - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane en J. Michael Kosterlitz - het twee wêrelde verbind: materie, wat die onderwerp van fisika is, en topologie, wat 'n tak van wiskunde is. Hulle het besef dat daar nie-tradisionele fase-oorgange is wat verband hou met topologiese defekte en nie-tradisionele fases van materie – topologiese fases. Dit het gelei tot 'n stortvloed van eksperimentele en teoretiese werk. Hierdie stortvloed vloei steeds teen 'n baie vinnige pas.
Sommige mense sien weer XNUMXD-materiaal as 'n nuwe, unieke toestand van materie. Ons ken hierdie tipe nanonnetwerk - fosfaat, staneen, borofeen, of, laastens, die gewilde grafeen - vir baie jare. Die voorgenoemde Nobelpryswenners was veral betrokke by die topologiese ontleding van hierdie enkellaagmateriale.
Die outydse wetenskap van toestande van materie en fases van materie blyk 'n lang pad te kom. Veel verder as wat ons nog van fisika-lesse kan onthou.
