Vom cunoaște vreodată toate stările materiei? În loc de trei, cinci sute

Anul trecut, mass-media a răspândit informații că „a apărut o formă de materie”, care ar putea fi numită superhard sau, de exemplu, mai convenabilă, deși mai puțin poloneză, superhard. Provenind de la laboratoarele oamenilor de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, este un fel de contradicție care combină proprietățile solidelor și ale superfluidelor - i.e. lichide cu vâscozitate zero.

Fizicienii au prezis anterior existența unui supernatant, dar până acum nu s-a găsit nimic similar în laborator. Rezultatele studiului realizat de oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au fost publicate în revista Nature.

„O substanță care combină superfluiditatea și proprietățile solide sfidează bunul simț”, a scris liderul echipei Wolfgang Ketterle, profesor de fizică la MIT și laureat al Premiului Nobel în 2001, în lucrare.

Pentru a înțelege această formă contradictorie a materiei, echipa lui Ketterle a manipulat mișcarea atomilor într-o stare supersolidă într-o altă formă particulară de materie numită condensat Bose-Einstein (BEC). Ketterle este unul dintre descoperitorii BEC, care i-a adus Premiul Nobel pentru Fizică.

„Provocarea a fost să adăugați ceva la condensat care să-l facă să evolueze într-o formă în afara „capcanei atomice” și să dobândească caracteristicile unui solid”, a explicat Ketterle.

Echipa de cercetare a folosit raze laser într-o cameră cu vid ultra-înalt pentru a controla mișcarea atomilor din condensat. Setul original de lasere a fost folosit pentru a transforma jumătate din atomii BEC într-o fază diferită de spin sau cuantică. Astfel, au fost create două tipuri de BEC. Transferul de atomi între două condensate cu ajutorul unor fascicule laser suplimentare a provocat modificări de spin.

„Laserele suplimentare au oferit atomilor un impuls suplimentar de energie pentru cuplarea spin-orbită”, a spus Ketterle. Substanța rezultată, conform predicției fizicienilor, ar fi trebuit să fie „superhard”, deoarece condensatele cu atomi conjugați pe o orbită de spin ar fi caracterizate prin „modularea densității” spontană. Cu alte cuvinte, densitatea materiei ar înceta să mai fie constantă. În schimb, va avea un model de fază similar cu un solid cristalin.

Cercetările ulterioare asupra materialelor superdure pot duce la o mai bună înțelegere a proprietăților superfluidelor și supraconductorilor, care vor fi esențiale pentru un transfer eficient de energie. Superhardurile pot fi, de asemenea, cheia pentru dezvoltarea unor magneți și senzori supraconductori mai buni.

Nu stări de agregare, ci faze

Este starea superdură o substanță? Răspunsul dat de fizica modernă nu este atât de simplu. Ne amintim din școală că starea fizică a materiei este forma principală în care se află substanța și determină proprietățile fizice de bază. Proprietățile unei substanțe sunt determinate de aranjarea și comportamentul moleculelor sale constitutive. Diviziunea tradițională a stărilor materiei din secolul al XVII-lea distinge trei astfel de stări: solid (solid), lichid (lichid) și gazos (gaz).

Totuși, în prezent, faza materiei pare a fi o definiție mai exactă a formelor de existență a materiei. Proprietățile corpurilor în stări individuale depind de aranjarea moleculelor (sau atomilor) din care sunt compuse aceste corpuri. Din acest punct de vedere, vechea împărțire în stări de agregare este valabilă doar pentru unele substanțe, întrucât cercetările științifice au arătat că ceea ce era considerat anterior o singură stare de agregare poate fi de fapt împărțit în mai multe faze ale unei substanțe care diferă ca natură. configurația particulelor. Există chiar și situații în care moleculele din același corp pot fi aranjate diferit în același timp.

Mai mult, s-a dovedit că stările solide și lichide pot fi realizate într-o varietate de moduri. Numărul de faze ale materiei din sistem și numărul de variabile intensive (de exemplu, presiunea, temperatura) care pot fi modificate fără o modificare calitativă a sistemului sunt descrise de principiul fazei Gibbs.

O schimbare a fazei unei substanțe poate necesita furnizarea sau primirea de energie - atunci cantitatea de energie care iese va fi proporțională cu masa substanței care schimbă faza. Cu toate acestea, unele tranziții de fază apar fără intrare sau ieșire de energie. Tragem o concluzie despre schimbarea de fază pe baza unei schimbări de pas în unele cantități care descriu acest corp.

În cea mai extinsă clasificare publicată până în prezent, există aproximativ cinci sute de state agregate. Multe substanțe, în special cele care sunt amestecuri de compuși chimici diferiți, pot exista simultan în două sau mai multe faze.

Fizica modernă acceptă de obicei două faze - lichidă și solidă, faza gazoasă fiind unul dintre cazurile fazei lichide. Acestea din urmă includ diferite tipuri de plasmă, faza supracurentului deja menționată și o serie de alte stări ale materiei. Fazele solide sunt reprezentate de diverse forme cristaline, precum și de o formă amorfă.

Zawiya topologică

Rapoartele despre noi „stări agregate” sau faze greu de definit ale materialelor au constituit un repertoriu constant de știri științifice în ultimii ani. În același timp, alocarea noilor descoperiri uneia dintre categorii nu este întotdeauna ușoară. Substanța supersolidă descrisă mai devreme este probabil o fază solidă, dar poate că fizicienii au o altă părere. Acum câțiva ani într-un laborator universitar

În Colorado, de exemplu, o picătură a fost creată din particule de arseniură de galiu - ceva lichid, ceva solid. În 2015, o echipă internațională de oameni de știință condusă de chimistul Cosmas Prasides de la Universitatea Tohoku din Japonia a anunțat descoperirea unei noi stări a materiei care combină proprietățile unui izolator, supraconductor, metal și magnet, numind-o metalul Jahn-Teller.

Există, de asemenea, stări agregate „hibride” atipice. De exemplu, sticla nu are o structură cristalină și, prin urmare, este uneori clasificată ca un lichid „suprarăcit”. În plus - cristale lichide utilizate în unele afișaje; chit - polimer siliconic, plastic, elastic sau chiar casant, în funcție de viteza de deformare; lichid super-lipicios, care curge singur (odată pornit, preaplinul va continua până la epuizarea aportului de lichid din paharul superior); Nitinolul, un aliaj cu memorie de formă nichel-titan, se va îndrepta în aer cald sau lichid atunci când este îndoit.

Clasificarea devine din ce în ce mai complexă. Tehnologiile moderne șterg granițele dintre stările materiei. Se fac noi descoperiri. Laureații Premiului Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane și J. Michael Kosterlitz - au legat două lumi: materia, care este subiectul fizicii, și topologia, care este o ramură a matematicii. Ei și-au dat seama că există tranziții de fază netradiționale asociate cu defecte topologice și faze netradiționale ale materiei - faze topologice. Acest lucru a dus la o avalanșă de lucrări experimentale și teoretice. Această avalanșă încă curge într-un ritm foarte rapid.

Unii oameni văd din nou materialele XNUMXD ca pe o stare nouă, unică a materiei. Cunoaștem acest tip de nanorețea - fosfat, stanen, borofen sau, în cele din urmă, popularul grafen - de mulți ani. Câștigătorii premiului Nobel menționați mai sus au fost implicați, în special, în analiza topologică a acestor materiale cu un singur strat.

Știința de modă veche a stărilor și fazelor materiei pare să fi parcurs un drum lung. Mult peste ceea ce ne putem aminti încă din lecțiile de fizică.