A do t'i dimë ndonjëherë të gjitha gjendjet e materies? Në vend të tre, pesëqind
Vitin e kaluar, media përhapi informacionin se "ka lindur një formë materies", e cila mund të quhet super e fortë ose, për shembull, më e përshtatshme, megjithëse më pak polake, super e fortë. E ardhur nga laboratorët e shkencëtarëve në Institutin e Teknologjisë në Masaçusets, është një lloj kontradikte që ndërthur vetitë e trupave të ngurtë dhe superfluideve - d.m.th. lëngje me viskozitet zero.
Fizikanët kanë parashikuar më parë ekzistencën e një supernatanti, por deri më tani asgjë e ngjashme nuk është gjetur në laborator. Rezultatet e studimit nga shkencëtarët në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts u publikuan në revistën Nature.
"Një substancë që kombinon superfluiditetin dhe vetitë e ngurta kundërshton sensin e përbashkët," shkroi në gazetë udhëheqësi i ekipit Wolfgang Ketterle, profesor i fizikës në MIT dhe fitues i çmimit Nobel në vitin 2001.
Për të kuptuar këtë formë kontradiktore të materies, ekipi i Ketterle manipuloi lëvizjen e atomeve në një gjendje super të ngurtë në një formë tjetër të veçantë të materies të quajtur kondensata Bose-Einstein (BEC). Ketterle është një nga zbuluesit e BEC, i cili i dha atij Çmimin Nobel në Fizikë.
"Sfida ishte t'i shtohej diçka kondensatës që do ta bënte atë të evoluonte në një formë jashtë 'kurthit atomik' dhe të fitonte karakteristikat e një trupi të ngurtë," shpjegoi Ketterle.
Ekipi hulumtues përdori rreze lazer në një dhomë vakum ultra të lartë për të kontrolluar lëvizjen e atomeve në kondensatë. Grupi origjinal i lazerëve u përdor për të transformuar gjysmën e atomeve BEC në një fazë të ndryshme spin ose kuantike. Kështu, u krijuan dy lloje BEC-sh. Transferimi i atomeve ndërmjet dy kondensatave me ndihmën e rrezeve shtesë lazer shkaktoi ndryshime të rrotullimit.
"Lazerët shtesë u siguruan atomeve një nxitje shtesë të energjisë për bashkimin e rrotullimit me orbitën," tha Ketterle. Substanca që rezulton, sipas parashikimit të fizikantëve, duhet të ishte "super e fortë", pasi kondensatat me atome të konjuguar në një orbitë rrotullimi do të karakterizoheshin nga "modulimi i densitetit" spontan. Me fjalë të tjera, dendësia e materies do të pushonte së qeni konstante. Në vend të kësaj, ai do të ketë një model fazor të ngjashëm me një solid kristalor.
Hulumtimi i mëtejshëm në materialet super të forta mund të çojë në një kuptim më të mirë të vetive të superfluideve dhe superpërçuesve, të cilët do të jenë kritikë për transferimin efikas të energjisë. Superhardët mund të jenë gjithashtu çelësi për zhvillimin e magneteve dhe sensorëve më të mirë superpërçues.
Jo gjendjet e grumbullimit, por fazat
A është gjendja super e fortë një substancë? Përgjigja e dhënë nga fizika moderne nuk është aq e thjeshtë. Kujtojmë nga shkolla se gjendja fizike e materies është forma kryesore në të cilën ndodhet substanca dhe përcakton vetitë e saj themelore fizike. Vetitë e një substance përcaktohen nga rregullimi dhe sjellja e molekulave të saj përbërëse. Ndarja tradicionale e gjendjeve të materies të shekullit të XNUMX-të dallon tre gjendje të tilla: të ngurta (të ngurta), të lëngshme (të lëngshme) dhe të gazta (gaz).
Megjithatë, aktualisht, faza e materies duket të jetë një përkufizim më i saktë i formave të ekzistencës së materies. Vetitë e trupave në gjendje të veçanta varen nga rregullimi i molekulave (ose atomeve) nga të cilat përbëhen këta trupa. Nga ky këndvështrim, ndarja e vjetër në gjendje grumbullimi është e vërtetë vetëm për disa substanca, pasi kërkimet shkencore kanë treguar se ajo që më parë konsiderohej si një gjendje e vetme grumbullimi, në fakt mund të ndahet në shumë faza të një substance që ndryshojnë në natyrë. konfigurimi i grimcave. Madje ka situata kur molekulat në të njëjtin trup mund të renditen ndryshe në të njëjtën kohë.
Për më tepër, doli që gjendjet e ngurta dhe të lëngshme mund të realizohen në mënyra të ndryshme. Numri i fazave të materies në sistem dhe numri i variablave intensivë (për shembull, presioni, temperatura) që mund të ndryshohen pa një ndryshim cilësor në sistem përshkruhen nga parimi i fazës Gibbs.
Një ndryshim në fazën e një substance mund të kërkojë furnizimin ose marrjen e energjisë - atëherë sasia e energjisë që rrjedh jashtë do të jetë proporcionale me masën e substancës që ndryshon fazën. Megjithatë, disa kalime fazore ndodhin pa hyrje ose dalje të energjisë. Ne nxjerrim një përfundim në lidhje me ndryshimin e fazës në bazë të një ndryshimi hapi në disa sasi që përshkruajnë këtë trup.
Në klasifikimin më të gjerë të publikuar deri më sot, ka rreth pesëqind gjendje të përgjithshme. Shumë substanca, veçanërisht ato që janë përzierje të përbërjeve të ndryshme kimike, mund të ekzistojnë njëkohësisht në dy ose më shumë faza.
Fizika moderne zakonisht pranon dy faza - të lëngshme dhe të ngurta, me fazën e gazit që është një nga rastet e fazës së lëngshme. Këto të fundit përfshijnë lloje të ndryshme të plazmës, fazën e sipërpërmendur tashmë dhe një sërë gjendjesh të tjera të materies. Fazat e ngurta përfaqësohen nga forma të ndryshme kristalore, si dhe një formë amorfe.
Zavija topologjike
Raportet e "gjendjeve agregate" të reja ose fazave të materialeve të vështira për t'u përcaktuar kanë qenë një repertor i vazhdueshëm i lajmeve shkencore vitet e fundit. Në të njëjtën kohë, caktimi i zbulimeve të reja në një nga kategoritë nuk është gjithmonë i lehtë. Substanca supersolide e përshkruar më herët është ndoshta një fazë e ngurtë, por ndoshta fizikanët kanë një mendim të ndryshëm. Para disa vitesh në një laborator universitar
Në Kolorado, për shembull, një pikëz u krijua nga grimcat e arsenidit të galiumit - diçka e lëngshme, diçka e ngurtë. Në vitin 2015, një ekip ndërkombëtar shkencëtarësh i udhëhequr nga kimisti Cosmas Prasides në Universitetin Tohoku në Japoni njoftoi zbulimin e një gjendjeje të re të materies që kombinon vetitë e një izoluesi, superpërçuesi, metali dhe magneti, duke e quajtur atë metali Jahn-Teller.
Ekzistojnë gjithashtu gjendje agregate atipike "hibride". Për shembull, qelqi nuk ka një strukturë kristalore dhe për këtë arsye ndonjëherë klasifikohet si një lëng "superftohur". Më tej - kristale të lëngëta të përdorura në disa ekrane; stuko - polimer silikoni, plastik, elastik apo edhe i brishtë, në varësi të shkallës së deformimit; lëng super ngjitës, që rrjedh vetë (pasi të fillojë, tejmbushja do të vazhdojë derisa të mbarojë furnizimi me lëng në xhamin e sipërm); Nitinol, një aliazh memorie në formë nikel-titan, do të drejtohet në ajër të ngrohtë ose në lëng kur përkulet.
Klasifikimi bëhet gjithnjë e më i ndërlikuar. Teknologjitë moderne fshijnë kufijtë midis gjendjeve të materies. Zbulime të reja po bëhen. Fituesit e çmimit Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane dhe J. Michael Kosterlitz - lidhën dy botë: materien, e cila është subjekt i fizikës dhe topologjia, e cila është një degë e matematikës. Ata kuptuan se ka tranzicione fazore jo-tradicionale të shoqëruara me defekte topologjike dhe faza jo tradicionale të materies - faza topologjike. Kjo çoi në një ortek të punës eksperimentale dhe teorike. Ky ortek vazhdon të rrjedhë me ritme shumë të shpejta.
Disa njerëz po i shohin përsëri materialet XNUMXD si një gjendje të re, unike të materies. Ne e kemi njohur këtë lloj nanorrjete - fosfat, stanen, borofen ose, së fundi, grafenin popullor - për shumë vite. Fituesit e lartpërmendur të çmimit Nobel janë përfshirë, veçanërisht, në analizën topologjike të këtyre materialeve me një shtresë.
Shkenca e modës së vjetër mbi gjendjet e materies dhe fazat e materies duket se ka bërë një rrugë të gjatë. Shumë përtej asaj që mund të kujtojmë ende nga mësimet e fizikës.
