Budeme niekedy poznať všetky stavy hmoty? Namiesto troch päťsto

V minulom roku sa médiami šírili informácie, že „vznikla forma hmoty“, ktorá by sa dala nazvať supertvrdá alebo napríklad pohodlnejšia, aj keď menej poľská supertvrdá. Pochádza z laboratórií vedcov na Massachusetts Institute of Technology, ide o akýsi protiklad, ktorý spája vlastnosti pevných látok a supratekutých látok – t.j. kvapaliny s nulovou viskozitou.

Fyzici už skôr predpovedali existenciu supernatantu, no zatiaľ sa v laboratóriu nič podobné nenašlo. Výsledky štúdie vedcov z Massachusettského technologického inštitútu zverejnil časopis Nature.

"Látka, ktorá kombinuje supratekutosť a pevné vlastnosti, je v rozpore so zdravým rozumom," napísal vedúci tímu Wolfgang Ketterle, profesor fyziky na MIT a nositeľ Nobelovej ceny za rok 2001.

Aby dal zmysel tejto protichodnej forme hmoty, Ketterlov tím manipuloval s pohybom atómov v superpevnom stave v inej zvláštnej forme hmoty nazývanej Bose-Einsteinov kondenzát (BEC). Ketterle je jedným z objaviteľov BEC, čo mu vynieslo Nobelovu cenu za fyziku.

„Výzvou bolo pridať do kondenzátu niečo, čo by spôsobilo, že sa rozvinie do formy mimo ‚atómovej pasce‘ a získa vlastnosti pevnej látky,“ vysvetlil Ketterle.

Výskumný tím použil laserové lúče v komore s ultravysokým vákuom na riadenie pohybu atómov v kondenzáte. Pôvodná sada laserov bola použitá na transformáciu polovice atómov BEC na inú spinovú alebo kvantovú fázu. Tak vznikli dva typy BEC. Prenos atómov medzi dvoma kondenzátmi pomocou dodatočných laserových lúčov spôsobil zmeny spinu.

"Dodatočné lasery poskytli atómom dodatočnú energiu pre spojenie spin-orbita," povedal Ketterle. Výsledná látka mala byť podľa predpovede fyzikov „supertvrdá“, keďže kondenzáty s konjugovanými atómami na spinovej dráhe by sa vyznačovali spontánnou „moduláciou hustoty“. Inými slovami, hustota hmoty by prestala byť konštantná. Namiesto toho bude mať fázový vzor podobný kryštalickej pevnej látke.

Ďalší výskum supertvrdých materiálov môže viesť k lepšiemu pochopeniu vlastností supratekutých látok a supravodičov, ktoré budú rozhodujúce pre efektívny prenos energie. Superhards môžu byť tiež kľúčom k vývoju lepších supravodivých magnetov a senzorov.

Nie stavy agregácie, ale fázy

Je supertvrdý stav látkou? Odpoveď, ktorú dáva moderná fyzika, nie je taká jednoduchá. Zo školy si pamätáme, že fyzikálny stav hmoty je hlavnou formou, v ktorej sa látka nachádza a určuje jej základné fyzikálne vlastnosti. Vlastnosti látky sú určené usporiadaním a správaním molekúl, z ktorých pozostáva. Tradičné delenie skupenstiev hmoty zo XNUMX. storočia rozlišuje tri takéto stavy: pevné (tuhé), kvapalné (kvapalné) a plynné (plynné).

V súčasnosti sa však zdá, že presnejšou definíciou foriem existencie hmoty je fáza hmoty. Vlastnosti telies v jednotlivých stavoch závisia od usporiadania molekúl (alebo atómov), z ktorých sú tieto telesá zložené. Z tohto hľadiska staré delenie na stavy agregácie platí len pre niektoré látky, keďže vedecký výskum ukázal, že to, čo sa predtým považovalo za jediný stav agregácie, možno v skutočnosti rozdeliť do mnohých fáz látky, ktoré sa líšia povahou. časticová konfigurácia. Existujú dokonca situácie, keď molekuly v tom istom telese môžu byť súčasne usporiadané inak.

Navyše sa ukázalo, že pevné a kvapalné skupenstvo je možné realizovať rôznymi spôsobmi. Počet fáz hmoty v systéme a počet intenzívnych premenných (napríklad tlak, teplota), ktoré možno meniť bez kvalitatívnej zmeny v systéme, popisuje Gibbsov fázový princíp.

Zmena fázy látky môže vyžadovať dodanie alebo príjem energie – potom bude množstvo vytekajúcej energie úmerné hmotnosti látky, ktorá mení fázu. Niektoré fázové prechody sa však vyskytujú bez vstupu alebo výstupu energie. Záver o fázovej zmene robíme na základe postupnej zmeny niektorých veličín popisujúcich toto teleso.

V najrozsiahlejšej klasifikácii, ktorá bola doteraz publikovaná, je asi päťsto agregovaných stavov. Mnohé látky, najmä tie, ktoré sú zmesou rôznych chemických zlúčenín, môžu existovať súčasne v dvoch alebo viacerých fázach.

Moderná fyzika zvyčajne akceptuje dve fázy – kvapalnú a pevnú, pričom plynná fáza je jedným z prípadov kvapalnej fázy. K tým druhým patria rôzne druhy plazmy, už spomínaná nadprúdová fáza a množstvo ďalších stavov hmoty. Pevné fázy sú reprezentované rôznymi kryštalickými formami, ako aj amorfnou formou.

Topologická zawiya

Správy o nových „agregovaných stavoch“ či ťažko definovateľných fázach materiálov sú v posledných rokoch stálym repertoárom vedeckých noviniek. Zaradenie nových objavov do niektorej z kategórií zároveň nie je vždy jednoduché. Vyššie opísaná superpevná látka je pravdepodobne tuhá fáza, ale fyzici majú možno iný názor. Pred pár rokmi v univerzitnom laboratóriu

Napríklad v Colorade sa z častíc arzenidu gália vytvorila kvapôčka – niečo tekuté, niečo tuhé. V roku 2015 medzinárodný tím vedcov pod vedením chemika Cosmasa Prasidesa z Tohoku University v Japonsku oznámil objav nového stavu hmoty, ktorý kombinuje vlastnosti izolantu, supravodiča, kovu a magnetu a nazval ho Jahn-Tellerov kov.

Existujú aj atypické „hybridné“ agregátne stavy. Napríklad sklo nemá kryštalickú štruktúru, a preto sa niekedy klasifikuje ako „podchladená“ kvapalina. Ďalej - tekuté kryštály používané v niektorých displejoch; tmel - silikónový polymér, plastový, elastický alebo dokonca krehký, v závislosti od rýchlosti deformácie; super-lepkavá, samotečúca kvapalina (po spustení bude pretekanie pokračovať, kým sa nevyčerpá zásoba kvapaliny v hornom pohári); Nitinol, zliatina niklu a titánu s tvarovou pamäťou, sa pri ohýbaní vyrovná teplým vzduchom alebo kvapalinou.

Klasifikácia sa stáva čoraz zložitejšou. Moderné technológie stierajú hranice medzi stavmi hmoty. Prichádzajú nové objavy. Nositelia Nobelovej ceny za rok 2016 – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane a J. Michael Kosterlitz – prepojili dva svety: hmotu, ktorá je predmetom fyziky, a topológiu, ktorá je odvetvím matematiky. Uvedomili si, že existujú netradičné fázové prechody spojené s topologickými defektmi a netradičné fázy hmoty – topologické fázy. To viedlo k lavíne experimentálnych a teoretických prác. Táto lavína stále tečie veľmi rýchlym tempom.

Niektorí ľudia opäť vidia XNUMXD materiály ako nový, jedinečný stav hmoty. Tento typ nanosiete – fosfát, stanen, borofén, alebo napokon populárny grafén – poznáme už mnoho rokov. Spomínaní nositelia Nobelovej ceny sa podieľali najmä na topologickej analýze týchto jednovrstvových materiálov.

Zdá sa, že staromódna veda o stavoch hmoty a fázach hmoty prešla dlhú cestu. Ďaleko nad rámec toho, čo si ešte pamätáme z hodín fyziky.