Qatt se nkunu nafu l-istati kollha tal-materja? Minflok tlieta, ħames mija
Is-sena li għaddiet, il-midja xerred informazzjoni li "qamet forma ta 'materja", li tista' tissejjaħ superhard jew, pereżempju, aktar konvenjenti, għalkemm inqas Pollakk, superhard. Ġej mil-laboratorji ta 'xjentisti fl-Istitut tat-Teknoloġija ta' Massachusetts, huwa tip ta 'kontradizzjoni li tgħaqqad il-proprjetajiet ta' solidi u superfluwidi - i.e. likwidi b'viskożità żero.
Il-fiżiċi preċedentement bassru l-eżistenza ta’ supernatant, iżda s’issa ma nstab xejn simili fil-laboratorju. Ir-riżultati tal-istudju minn xjenzati fil-Massachusetts Institute of Technology ġew ippubblikati fil-ġurnal Nature.
"Sustanza li tgħaqqad is-superfluwidità u l-proprjetajiet solidi tisfida s-sens komun," kiteb il-mexxej tat-tim Wolfgang Ketterle, professur tal-fiżika fil-MIT u rebbieħ tal-Premju Nobel fl-2001.
Biex jagħmel sens ta 'din il-forma kontradittorja ta' materja, it-tim ta 'Ketterle mmanipula l-moviment tal-atomi fi stat supersolidu f'forma partikolari ta' materja oħra msejħa kondensat Bose-Einstein (BEC). Ketterle huwa wieħed mill-iskoprituri tal-BEC, li qalgħu l-Premju Nobel fil-Fiżika.
"L-isfida kienet li żżid xi ħaġa mal-kondensat li ġġiegħlu jevolvi f'forma barra mill-"nassa atomika" u jakkwista l-karatteristiċi ta 'solidu," spjega Ketterle.
It-tim ta 'riċerka uża raġġi tal-lejżer f'kamra tal-vakwu ultra-għoli biex jikkontrolla l-moviment tal-atomi fil-kondensat. Is-sett oriġinali ta 'lejżers intużaw biex jittrasformaw nofs l-atomi BEC f'fażi ta' spin jew quantum differenti. Għalhekk, inħolqu żewġ tipi ta' BECs. It-trasferiment ta 'atomi bejn żewġ kondensati bl-għajnuna ta' raġġi tal-laser addizzjonali kkawża bidliet spin.
"Lejżers addizzjonali pprovdew l-atomi b'żieda ta 'enerġija addizzjonali għall-akkoppjar spin-orbita," qal Ketterle. Is-sustanza li tirriżulta, skond it-tbassir tal-fiżiċi, kellha tkun "superhard", peress li l-kondensati b'atomi konjugati f'orbita spin tkun ikkaratterizzata minn "modulazzjoni tad-densità" spontanja. Fi kliem ieħor, id-densità tal-materja ma tibqax kostanti. Minflok, se jkollu mudell ta 'fażi simili għal solidu kristallin.
Aktar riċerka f'materjali superiebsa tista' twassal għal fehim aħjar tal-proprjetajiet tas-superfluwidi u s-superkondutturi, li se jkunu kritiċi għal trasferiment effiċjenti tal-enerġija. Superhards jistgħu wkoll ikunu ċ-ċavetta għall-iżvilupp ta 'kalamiti u sensuri superkonduttivi aħjar.
Mhux stati ta 'aggregazzjoni, iżda fażijiet
L-istat superhard huwa sustanza? It-tweġiba mogħtija mill-fiżika moderna mhix daqshekk sempliċi. Niftakru mill-iskola li l-istat fiżiku tal-materja huwa l-forma ewlenija li fiha tinsab is-sustanza u tiddetermina l-proprjetajiet fiżiċi bażiċi tagħha. Il-proprjetajiet ta 'sustanza huma ddeterminati mill-arranġament u l-imġiba tal-molekuli kostitwenti tagħha. Id-diviżjoni tradizzjonali tal-istati tal-materja tas-seklu XNUMX tiddistingwi tliet stati bħal dawn: solidu (solidu), likwidu (likwidu) u gassuż (gass).
Madankollu, fil-preżent, il-fażi tal-materja tidher li hija definizzjoni aktar preċiża tal-forom tal-eżistenza tal-materja. Il-proprjetajiet tal-korpi fi stati individwali jiddependu fuq l-arranġament tal-molekuli (jew atomi) li minnhom huma komposti dawn il-korpi. Minn dan il-lat, id-diviżjoni l-antika fi stati ta’ aggregazzjoni hija vera biss għal xi sustanzi, peress li r-riċerka xjentifika wriet li dak li qabel kien meqjus bħala stat wieħed ta’ aggregazzjoni jista’ fil-fatt jinqasam f’ħafna fażijiet ta’ sustanza li huma differenti fin-natura. konfigurazzjoni tal-partiċelli. Hemm ukoll sitwazzjonijiet meta molekuli fl-istess ġisem jistgħu jiġu rranġati b'mod differenti fl-istess ħin.
Barra minn hekk, irriżulta li l-istati solidi u likwidi jistgħu jiġu realizzati f'varjetà ta 'modi. In-numru ta 'fażijiet tal-materja fis-sistema u n-numru ta' varjabbli intensivi (per eżempju, pressjoni, temperatura) li jistgħu jinbidlu mingħajr bidla kwalitattiva fis-sistema huma deskritti mill-prinċipju tal-fażi Gibbs.
Bidla fil-fażi ta 'sustanza tista' teħtieġ il-provvista jew irċevuta ta 'enerġija - allura l-ammont ta' enerġija li toħroġ se jkun proporzjonali għall-massa tas-sustanza li tbiddel il-fażi. Madankollu, xi tranżizzjonijiet ta 'fażi jseħħu mingħajr input jew output ta' enerġija. Aħna niġbdu konklużjoni dwar il-bidla fil-fażi fuq il-bażi ta 'bidla fil-pass f'xi kwantitajiet li jiddeskrivu dan il-korp.
Fl-aktar klassifikazzjoni estensiva ppubblikata sal-lum, hemm madwar ħames mitt stat aggregat. Ħafna sustanzi, speċjalment dawk li huma taħlitiet ta 'komposti kimiċi differenti, jistgħu jeżistu simultanjament f'żewġ fażijiet jew aktar.
Il-fiżika moderna ġeneralment taċċetta żewġ fażijiet - likwida u solida, bil-fażi tal-gass tkun waħda mill-każijiet tal-fażi likwida. Dawn tal-aħħar jinkludu diversi tipi ta 'plażma, il-fażi superkurrent diġà msemmija, u għadd ta' stati oħra tal-materja. Il-fażijiet solidi huma rappreżentati minn diversi forom kristallini, kif ukoll forma amorfa.
Zawiya topoloġika
Rapporti ta '"stati aggregati" ġodda jew fażijiet diffiċli biex jiġu definiti ta' materjali kienu repertorju kostanti ta 'aħbarijiet xjentifiċi f'dawn l-aħħar snin. Fl-istess ħin, li tassenja skoperti ġodda għal waħda mill-kategoriji mhux dejjem faċli. Is-sustanza supersolida deskritta qabel hija probabbilment fażi solida, iżda forsi l-fiżiċi għandhom opinjoni differenti. Ftit snin ilu f’laboratorju universitarju
F'Colorado, pereżempju, inħoloq dropleton minn partiċelli ta 'arsenide tal-gallju - xi ħaġa likwida, xi ħaġa solida. Fl-2015, tim internazzjonali ta 'xjentisti mmexxi mill-kimiku Cosmas Prasides fl-Università ta' Tohoku fil-Ġappun ħabbar l-iskoperta ta 'stat ġdid ta' materja li jgħaqqad il-proprjetajiet ta 'iżolatur, superkonduttur, metall u kalamita, billi sejjaħlu l-metall Jahn-Teller.
Hemm ukoll stati atipiċi "ibridi" aggregati. Pereżempju, il-ħġieġ m'għandux struttura kristallina u għalhekk xi drabi huwa kklassifikat bħala likwidu "supercooled". Barra minn hekk - kristalli likwidi użati f'xi wirjiet; stokk - polimeru tas-silikonju, plastik, elastiku jew saħansitra fraġli, skont ir-rata ta 'deformazzjoni; likwidu super-istick, li jnixxi waħdu (ladarba jinbeda, l-overflow se jkompli sakemm il-provvista ta 'likwidu fil-ħġieġ ta' fuq tkun eżawrita); Nitinol, liga tal-memorja tal-forma tan-nikil-titanju, se straighten out fl-arja sħuna jew likwidu meta mgħawweġ.
Il-klassifikazzjoni ssir aktar u aktar kumplessa. It-teknoloġiji moderni jħassru l-konfini bejn l-istati tal-materja. Qed isiru skoperti ġodda. Ir-rebbieħa tal-Premju Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane u J. Michael Kosterlitz - qabbdu żewġ dinjiet: il-materja, li hija s-suġġett tal-fiżika, u t-topoloġija, li hija fergħa tal-matematika. Indunaw li hemm tranżizzjonijiet ta 'fażi mhux tradizzjonali assoċjati ma' difetti topoloġiċi u fażijiet mhux tradizzjonali tal-materja - fażijiet topoloġiċi. Dan wassal għal valanga ta’ xogħol sperimentali u teoretiku. Din il-valanga għadha għaddejja b’pass mgħaġġel ħafna.
Xi nies qed jerġgħu jaraw materjali XNUMXD bħala stat ġdid u uniku tal-materja. Ilna nafu dan it-tip ta 'nanonetwork - fosfat, stanene, borophene, jew, finalment, il-graphene popolari - għal ħafna snin. Ir-rebbieħa tal-Premju Nobel imsemmija qabel kienu involuti, b'mod partikolari, fl-analiżi topoloġika ta 'dawn il-materjali b'saff wieħed.
Ix-xjenza antikwata tal-istati tal-materja u l-fażijiet tal-materja tidher li waslet triq twila. Ferm lil hinn minn dak li għadna nistgħu niftakru mil-lezzjonijiet tal-fiżika.
