Zullen we ooit alle toestanden van de materie kennen? In plaats van drie, vijfhonderd

Vorig jaar verspreidden de media informatie dat er "een vorm van materie is ontstaan", die superhard of bijvoorbeeld handiger, zij het minder Pools, superhard genoemd zou kunnen worden. Afkomstig uit de laboratoria van wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology, is het een soort tegenstrijdigheid die de eigenschappen van vaste stoffen en supervloeistoffen combineert - d.w.z. vloeistoffen zonder viscositeit.

Natuurkundigen hebben eerder het bestaan ​​van een supernatant voorspeld, maar tot nu toe is in het laboratorium niets vergelijkbaars gevonden. De resultaten van het onderzoek door wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

"Een stof die supervloeibaarheid en vaste eigenschappen combineert, tart het gezond verstand", schreef teamleider Wolfgang Ketterle, hoogleraar natuurkunde aan het MIT en Nobelprijswinnaar van 2001, in de krant.

Om deze tegenstrijdige vorm van materie te begrijpen, manipuleerde het team van Ketterle de beweging van atomen in een supervaste toestand in een andere bijzondere vorm van materie, een Bose-Einstein-condensaat (BEC). Ketterle is een van de ontdekkers van BEC, wat hem de Nobelprijs voor de Natuurkunde opleverde.

"De uitdaging was om iets aan het condensaat toe te voegen waardoor het zou evolueren naar een vorm buiten de 'atomaire val' en de kenmerken van een vaste stof zou krijgen", legt Ketterle uit.

Het onderzoeksteam gebruikte laserstralen in een ultrahoogvacuümkamer om de beweging van de atomen in het condensaat te regelen. De originele set lasers werd gebruikt om de helft van de BEC-atomen om te zetten in een andere spin- of kwantumfase. Zo zijn er twee soorten BEC's gemaakt. De overdracht van atomen tussen twee condensaten met behulp van extra laserstralen veroorzaakte spinveranderingen.

"Extra lasers gaven de atomen een extra energieboost voor spin-baankoppeling," zei Ketterle. De resulterende stof zou volgens de voorspelling van natuurkundigen "superhard" moeten zijn, aangezien condensaten met geconjugeerde atomen in een spinbaan zouden worden gekenmerkt door spontane "dichtheidsmodulatie". Met andere woorden, de dichtheid van materie zou ophouden constant te zijn. In plaats daarvan zal het een fasepatroon hebben dat lijkt op een kristallijne vaste stof.

Verder onderzoek naar superharde materialen kan leiden tot een beter begrip van de eigenschappen van supervloeistoffen en supergeleiders, wat cruciaal zal zijn voor een efficiënte energieoverdracht. Superhards kunnen ook de sleutel zijn tot het ontwikkelen van betere supergeleidende magneten en sensoren.

Geen aggregatietoestanden, maar fasen

Is de superharde toestand een substantie? Het antwoord van de moderne natuurkunde is niet zo eenvoudig. We herinneren ons van school dat de fysieke toestand van materie de belangrijkste vorm is waarin de stof zich bevindt en de fysieke basiseigenschappen bepaalt. De eigenschappen van een stof worden bepaald door de rangschikking en het gedrag van de samenstellende moleculen. De traditionele indeling van de toestanden van materie van de XNUMXe eeuw onderscheidt drie van dergelijke toestanden: vast (vast), vloeibaar (vloeibaar) en gasvormig (gas).

Op dit moment lijkt de fase van materie echter een nauwkeuriger definitie te zijn van de bestaansvormen van materie. De eigenschappen van lichamen in individuele toestanden hangen af ​​van de rangschikking van de moleculen (of atomen) waaruit deze lichamen zijn samengesteld. Vanuit dit oogpunt is de oude indeling in aggregatietoestanden alleen waar voor sommige stoffen, aangezien wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat wat voorheen als een enkele aggregatietoestand werd beschouwd, in feite kan worden onderverdeeld in vele fasen van een stof die van elkaar verschillen. deeltjes configuratie. Er zijn zelfs situaties waarin moleculen in hetzelfde lichaam tegelijkertijd anders gerangschikt kunnen zijn.

Bovendien bleek de vaste en vloeibare toestand op verschillende manieren te realiseren. Het aantal fasen van materie in het systeem en het aantal intensieve variabelen (bijvoorbeeld druk, temperatuur) dat kan worden veranderd zonder een kwalitatieve verandering in het systeem worden beschreven door het Gibbs-faseprincipe.

Een verandering in de fase van een stof kan de toevoer of ontvangst van energie vereisen - dan zal de hoeveelheid energie die eruit stroomt evenredig zijn met de massa van de stof die de fase verandert. Sommige faseovergangen vinden echter plaats zonder energie-input of -output. We trekken een conclusie over de faseverandering op basis van een stapsgewijze verandering in sommige hoeveelheden die dit lichaam beschrijven.

In de meest uitgebreide classificatie die tot nu toe is gepubliceerd, zijn er ongeveer vijfhonderd geaggregeerde staten. Veel stoffen, vooral die welke mengsels zijn van verschillende chemische verbindingen, kunnen gelijktijdig in twee of meer fasen voorkomen.

De moderne natuurkunde accepteert meestal twee fasen - vloeibaar en vast, waarbij de gasfase een van de gevallen van de vloeibare fase is. Deze laatste omvatten verschillende soorten plasma, de reeds genoemde superstroomfase en een aantal andere toestanden van materie. Vaste fasen worden weergegeven door verschillende kristallijne vormen, evenals een amorfe vorm.

topologische zawiya

Rapporten van nieuwe "aggregaattoestanden" of moeilijk te definiëren fasen van materialen zijn de afgelopen jaren een constant repertoire van wetenschappelijk nieuws geweest. Tegelijkertijd is het niet altijd eenvoudig om nieuwe ontdekkingen toe te wijzen aan een van de categorieën. De eerder beschreven supervaste stof is waarschijnlijk een vaste fase, maar wellicht denken natuurkundigen daar anders over. Een paar jaar geleden in een universitair laboratorium

In Colorado werd bijvoorbeeld een druppel gemaakt van deeltjes galliumarsenide - iets vloeibaars, iets vasts. In 2015 kondigde een internationaal team van wetenschappers onder leiding van chemicus Cosmas Prasides van de Tohoku University in Japan de ontdekking aan van een nieuwe staat van materie die de eigenschappen van een isolator, supergeleider, metaal en magneet combineert, en noemde het het Jahn-Teller-metaal.

Er zijn ook atypische "hybride" aggregatietoestanden. Glas heeft bijvoorbeeld geen kristallijne structuur en wordt daarom soms geclassificeerd als een "onderkoelde" vloeistof. Verder - vloeibare kristallen die in sommige displays worden gebruikt; stopverf - siliconenpolymeer, plastic, elastisch of zelfs bros, afhankelijk van de mate van vervorming; superkleverige, zelfvloeiende vloeistof (eenmaal gestart, zal de overloop doorgaan totdat de toevoer van vloeistof in het bovenste glas is uitgeput); Nitinol, een vormgeheugenlegering van nikkel-titanium, wordt bij het buigen rechtgetrokken in warme lucht of vloeistof.

De classificatie wordt steeds ingewikkelder. Moderne technologieën wissen de grenzen tussen de toestanden van de materie. Er worden nieuwe ontdekkingen gedaan. De Nobelprijswinnaars van 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane en J. Michael Kosterlitz - verbonden twee werelden: materie, het onderwerp van de natuurkunde, en topologie, een tak van de wiskunde. Ze realiseerden zich dat er niet-traditionele faseovergangen zijn die verband houden met topologische defecten en niet-traditionele fasen van materie - topologische fasen. Dit leidde tot een lawine van experimenteel en theoretisch werk. Deze lawine stroomt nog steeds in een zeer snel tempo.

Sommige mensen zien XNUMXD-materialen opnieuw als een nieuwe, unieke staat van materie. We kennen dit soort nanonetwerken - fosfaat, staneen, borofeen, of, ten slotte, het populaire grafeen - al vele jaren. De bovengenoemde Nobelprijswinnaars zijn met name betrokken geweest bij de topologische analyse van deze enkellaagse materialen.

De ouderwetse wetenschap van toestanden van materie en fasen van materie lijkt een lange weg te hebben afgelegd. Veel verder dan wat we ons nog kunnen herinneren van natuurkundelessen.