Megtudjuk valaha az anyag összes halmazállapotát? Három helyett ötszáz

Tavaly a média azt terjesztette, hogy „az anyagnak egy olyan formája jelent meg”, amelyet szuperkeménynek vagy például kényelmesebbnek, bár kevésbé lengyelnek, szuperkeménynek lehetne nevezni. A Massachusetts Institute of Technology tudósainak laboratóriumaiból származik, ez egyfajta ellentmondás, amely egyesíti a szilárd anyagok és a szuperfolyadékok tulajdonságait - i.e. nulla viszkozitású folyadékok.

A fizikusok már korábban is megjósolták a felülúszó létezését, de egyelőre semmi hasonlót nem találtak a laboratóriumban. A Massachusetts Institute of Technology tudósai által végzett tanulmány eredményeit a Nature folyóiratban tették közzé.

"Egy olyan anyag, amely egyesíti a szuperfolyékonyságot és a szilárd tulajdonságokat, dacol a józan ész ellen" - írta a lapban Wolfgang Ketterle, az MIT fizikaprofesszora és 2001-es Nobel-díjas csoportvezetője.

Az anyag ezen ellentmondásos formájának értelmezésére Ketterle csapata a szuperszilárd állapotban lévő atomok mozgását manipulálta az anyag egy másik sajátos formájában, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak (BEC) neveznek. Ketterle a BEC egyik felfedezője, amivel megkapta a fizikai Nobel-díjat.

„A kihívás az volt, hogy a kondenzátumhoz adjunk valamit, amitől az „atomcsapdán” kívüli formává fejlődik, és elnyeri a szilárd anyag tulajdonságait” – magyarázta Ketterle.

A kutatócsoport ultranagy vákuumkamrában lézersugarakat használt a kondenzátumban lévő atomok mozgásának szabályozására. Az eredeti lézerkészletet arra használták, hogy a BEC-atomok felét egy másik spin- vagy kvantumfázisba alakítsák át. Így kétféle BEC jött létre. Két kondenzátum közötti atomok átvitele további lézersugarak segítségével spinváltozásokat okozott.

"További lézerek további energialöketet biztosítottak az atomoknak a spin-pálya csatoláshoz" - mondta Ketterle. A kapott anyagnak a fizikusok jóslata szerint "szuperkeménynek" kellett volna lennie, mivel a konjugált atomokkal konjugált kondenzátumokat egy spinpályán spontán "sűrűségmoduláció" jellemezné. Más szóval, az anyag sűrűsége megszűnne állandó lenni. Ehelyett a kristályos szilárd anyaghoz hasonló fázismintázatú lesz.

A szuperkemény anyagokkal kapcsolatos további kutatások a szuperfolyadékok és szupravezetők tulajdonságainak jobb megértéséhez vezethetnek, amelyek kritikusak a hatékony energiaátvitelhez. A szuperkemények a kulcsa lehet a jobb szupravezető mágnesek és érzékelők fejlesztésének is.

Nem aggregációs állapotok, hanem fázisok

A szuperkemény állapot anyag? A modern fizika által adott válasz nem ilyen egyszerű. Az iskolából emlékszünk arra, hogy az anyag fizikai állapota a fő forma, amelyben az anyag elhelyezkedik, és meghatározza alapvető fizikai tulajdonságait. Egy anyag tulajdonságait az alkotó molekulák elrendezése és viselkedése határozza meg. A XNUMX. századi halmazállapotok hagyományos felosztása három ilyen halmazállapotot különböztet meg: szilárd (szilárd), folyékony (folyékony) és gázhalmazállapotú (gáz).

Jelenleg azonban az anyag fázisa az anyag létezési formáinak pontosabb meghatározásának tűnik. Az egyes állapotú testek tulajdonságai a molekulák (vagy atomok) elrendezésétől függenek, amelyekből ezek a testek állnak. Ebből a szempontból a régi aggregációs állapotokra való felosztás csak egyes anyagokra igaz, hiszen a tudományos kutatások kimutatták, hogy amit korábban egyetlen aggregációs állapotnak tekintettek, az valójában egy anyag számos, természetükben eltérő fázisára osztható. részecske konfiguráció. Vannak olyan helyzetek is, amikor ugyanabban a testben a molekulák egyidejűleg eltérően is elrendezhetők.

Sőt, kiderült, hogy a szilárd és folyékony halmazállapot többféleképpen is megvalósítható. A rendszerben lévő anyagfázisok számát és az intenzív változók számát (például nyomás, hőmérséklet), amelyek minőségi változás nélkül változtathatók a rendszerben, a Gibbs fáziselv írja le.

Egy anyag fázisának megváltozásához szükség lehet energia beadásra vagy fogadására - ekkor a kiáramló energia mennyisége arányos lesz a fázist megváltoztató anyag tömegével. Néhány fázisátalakulás azonban energiabevitel vagy -kimenet nélkül történik. A fázisváltozásra következtetést vonunk le néhány, ezt a testet leíró mennyiség lépésváltozása alapján.

Az eddig közzétett legkiterjedtebb osztályozásban mintegy ötszáz összesített állapot szerepel. Sok anyag, különösen azok, amelyek különböző kémiai vegyületek keverékei, egyidejűleg két vagy több fázisban létezhetnek.

A modern fizika általában két fázist fogad el - folyékony és szilárd, a gázfázis pedig a folyékony fázis egyik esete. Ez utóbbiak közé tartoznak a különféle típusú plazmák, a már említett szuperáramú fázis és számos egyéb halmazállapot. A szilárd fázisokat különféle kristályos formák, valamint amorf formák képviselik.

Topológiai zawiya

Az új "aggregált állapotokról" vagy az anyagok nehezen meghatározható fázisairól szóló jelentések az elmúlt években a tudományos hírek állandó repertoárját képezték. Ugyanakkor nem mindig egyszerű az új felfedezéseket valamelyik kategóriához rendelni. A korábban leírt szuperszilárd anyag valószínűleg szilárd fázis, de a fizikusok talán más véleményen vannak. Néhány éve egy egyetemi laboratóriumban

Coloradóban például gallium-arzenid-részecskékből hoztak létre egy cseppecskét – valami folyékonyat, valami szilárd anyagot. 2015-ben egy nemzetközi tudóscsoport Cosmas Prasides vegyész vezetésével a japán Tohoku Egyetemen bejelentette egy új halmazállapot felfedezését, amely egyesíti a szigetelő, a szupravezető, a fém és a mágnes tulajdonságait, és ezt Jahn-Teller fémnek nevezte el.

Vannak atipikus "hibrid" aggregált állapotok is. Például az üvegnek nincs kristályos szerkezete, ezért néha "túlhűtött" folyadéknak minősül. Továbbá - egyes kijelzőkben használt folyadékkristályok; gitt - szilikon polimer, műanyag, rugalmas vagy akár törékeny, a deformáció mértékétől függően; rendkívül ragadós, önfolyó folyadék (amint elindult, a túlfolyó addig folytatódik, amíg a felső pohár folyadékkészlete el nem fogy); A nitinol, egy nikkel-titán alakú memóriaötvözet, meleg levegőn vagy folyadékban meghajlítva kiegyenesedik.

A besorolás egyre bonyolultabbá válik. A modern technológiák eltörlik a határokat az anyag halmazállapotai között. Új felfedezések születnek. A 2016-os Nobel-díjasok – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane és J. Michael Kosterlitz – két világot kapcsoltak össze: az anyagot, amely a fizika tárgya, és a topológiát, amely a matematika egyik ága. Felismerték, hogy léteznek nem hagyományos fázisátalakulások a topológiai hibákhoz és az anyag nem hagyományos fázisai - topológiai fázisok. Ez a kísérleti és elméleti munka lavinához vezetett. Ez a lavina még mindig nagyon gyors ütemben folyik.

Vannak, akik a XNUMXD anyagokat ismét egy új, egyedülálló anyagállapotnak tekintik. Évek óta ismerjük ezt a típusú nanohálózatot - foszfátot, sztanént, borofént vagy végül a népszerű grafént. A fent említett Nobel-díjasok különösen ezen egyrétegű anyagok topológiai elemzésében vettek részt.

Az anyagállapotokról és az anyag fázisairól szóló régimódi tudomány úgy tűnik, hosszú utat tett meg. Messze túl azon, amire még emlékezhetünk a fizikaórákról.