Хоћемо ли икада сазнати сва стања материје? Уместо три, пет стотина

Прошле године медији су ширили информацију да је „настао облик материје“, који би се могао назвати супертврдим или, на пример, згоднијим, мада мање пољским, супертврдим. Долазећи из лабораторија научника Масачусетског технолошког института, то је нека врста контрадикције која комбинује својства чврстих материја и суперфлуида – тј. течности са нултим вискозитетом.

Физичари су раније предвиђали постојање супернатанта, али до сада ништа слично није пронађено у лабораторији. Резултати студије научника са Технолошког института Масачусетса објављени су у часопису Натуре.

„Супстанца која комбинује суперфлуидност и чврста својства пркоси здравом разуму“, написао је вођа тима Волфганг Кетерле, професор физике на МИТ-у и добитник Нобелове награде 2001. године.

Да би схватио овај контрадикторни облик материје, Кеттерлеов тим је манипулисао кретањем атома у суперчврстом стању у другом необичном облику материје званом Босе-Ајнштајнов кондензат (БЕЦ). Кетерле је један од откривача БЕЦ-а, који му је донео Нобелову награду за физику.

„Изазов је био да се кондензату дода нешто што би довело до тога да он еволуира у облик изван 'атомске замке' и добије карактеристике чврсте материје,” објаснио је Кеттерле.

Истраживачки тим је користио ласерске зраке у комори ултра високог вакуума да контролише кретање атома у кондензату. Оригинални сет ласера ​​је коришћен за трансформацију половине БЕЦ атома у другу спин или квантну фазу. Тако су створене две врсте БЕЦ-а. Пренос атома између два кондензата уз помоћ додатних ласерских зрака проузроковао је спин промене.

"Додатни ласери су атомима обезбедили додатно повећање енергије за спин-орбитно спајање", рекао је Кеттерле. Добијена супстанца је, према предвиђању физичара, требало да буде "супертврда", пошто би кондензате са коњугованим атомима у спин орбити карактерисала спонтана "модулација густине". Другим речима, густина материје би престала да буде константна. Уместо тога, имаће фазни образац сличан кристалној чврстој материји.

Даља истраживања супертврдих материјала могу довести до бољег разумевања особина суперфлуида и суперпроводника, што ће бити критично за ефикасан пренос енергије. Супертврди такође могу бити кључ за развој бољих суперпроводних магнета и сензора.

Не стања агрегације, већ фазе

Да ли је супертврдо стање супстанца? Одговор који даје савремена физика није тако једноставан. Из школе се сећамо да је физичко стање материје главни облик у коме се супстанца налази и одређује њена основна физичка својства. Особине супстанце су одређене распоредом и понашањем њених саставних молекула. Традиционална подела агрегатних стања XNUMX. века разликује три таква стања: чврсто (чврсто), течно (течно) и гасовито (гас).

Међутим, тренутно се чини да је фаза материје тачнија дефиниција облика постојања материје. Особине тела у појединачним стањима зависе од распореда молекула (или атома) од којих су ова тела састављена. Са ове тачке гледишта, стара подела на агрегатна стања важи само за неке супстанце, пошто су научна истраживања показала да се оно што се раније сматрало јединственим агрегационим стањем заправо може поделити на многе фазе супстанце које се разликују по природи. конфигурација честица. Постоје чак и ситуације када молекули у истом телу могу бити различито распоређени у исто време.

Штавише, показало се да се чврсто и течно стање могу реализовати на различите начине. Број фаза материје у систему и број интензивних варијабли (на пример, притисак, температура) које се могу променити без квалитативне промене у систему описани су Гибсовим фазним принципом.

Промена фазе супстанце може захтевати снабдевање или пријем енергије - тада ће количина енергије која истиче бити пропорционална маси супстанце која мења фазу. Међутим, неки фазни прелази се дешавају без уноса или излаза енергије. Закључак о промени фазе изводимо на основу постепене промене неких величина које описују ово тело.

У најопсежнијој класификацији објављеној до данас, има око пет стотина агрегатних стања. Многе супстанце, посебно оне које су мешавине различитих хемијских једињења, могу постојати истовремено у две или више фаза.

Савремена физика обично прихвата две фазе – течну и чврсту, при чему је гасна фаза један од случајева течне фазе. Ово последње укључује различите врсте плазме, већ поменуту суперструјну фазу и низ других стања материје. Чврсте фазе су представљене различитим кристалним облицима, као и аморфним обликом.

Топологицал завииа

Извештаји о новим „агрегатним стањима“ или тешко дефинисаним фазама материјала били су стални репертоар научних вести последњих година. Истовремено, приписивање нових открића једној од категорија није увек лако. Раније описана суперчврста супстанца је вероватно чврста фаза, али можда физичари имају другачије мишљење. Пре неколико година у универзитетској лабораторији

У Колораду, на пример, од честица галијум арсенида створена је капљица - нешто течно, нешто чврсто. У 2015. години, међународни тим научника предвођен хемичарем Цосмасом Прасидесом са Универзитета Тохоку у Јапану објавио је откриће новог стања материје које комбинује својства изолатора, суперпроводника, метала и магнета, назвавши га металом Јахн-Теллер.

Постоје и атипична „хибридна“ агрегатна стања. На пример, стакло нема кристалну структуру и стога се понекад класификује као "прехлађена" течност. Даље - течни кристали који се користе у неким дисплејима; кит - силиконски полимер, пластика, еластична или чак крхка, у зависности од брзине деформације; супер лепљива, самотечућа течност (када се покрене, преливање ће се наставити све док се не исцрпи залиха течности у горњем стаклу); Нитинол, легура са памћењем облика никл-титанијума, ће се исправити на топлом ваздуху или течности када се савије.

Класификација постаје све сложенија. Савремене технологије бришу границе између стања материје. Остварују се нова открића. Добитници Нобелове награде за 2016. – Дејвид Џеј Таулес, Ф. Данкан, М. Халдејн и Џеј Мајкл Костерлиц – повезали су два света: материју, која је предмет физике, и топологију, која је грана математике. Схватили су да постоје нетрадиционални фазни прелази повезани са тополошким дефектима и нетрадиционалне фазе материје – тополошке фазе. То је довело до лавине експерименталног и теоријског рада. Ова лавина и даље тече веома брзим темпом.

Неки људи поново виде XNUMXД материјале као ново, јединствено стање материје. Ову врсту наномреже - фосфат, станен, борофен или, коначно, популарни графен - познајемо већ дуги низ година. Поменути добитници Нобелове награде су се посебно бавили тополошком анализом ових једнослојних материјала.

Чини се да је старомодна наука о стањима материје и фазама материје прешла дуг пут. Далеко изнад онога што се још увек сећамо са часова физике.