Poznáme někdy všechny skupenství hmoty? Místo tří pět set

Loni se médii rozšířila informace o tom, že „vznikla forma hmoty“, která by se dala nazvat supertvrdá nebo třeba pohodlnější, i když méně polská supertvrdá. Pochází z laboratoří vědců na Massachusetts Institute of Technology, jde o jakýsi protiklad, který spojuje vlastnosti pevných látek a supratekutých látek – tzn. kapaliny s nulovou viskozitou.

Fyzici už dříve existenci supernatantu předpovídali, ale zatím se nic podobného v laboratoři nenašlo. Výsledky studie vědců z Massachusetts Institute of Technology byly zveřejněny v časopise Nature.

"Látka, která kombinuje supratekutost a pevné vlastnosti, se vymyká zdravému rozumu," napsal v článku vedoucí týmu Wolfgang Ketterle, profesor fyziky na MIT a nositel Nobelovy ceny za rok 2001.

Aby Ketterleův tým dal smysl této rozporuplné formě hmoty, manipuloval s pohybem atomů v superpevném stavu v jiné zvláštní formě hmoty zvané Bose-Einsteinův kondenzát (BEC). Ketterle je jedním z objevitelů BEC, který mu vynesl Nobelovu cenu za fyziku.

„Úkolem bylo přidat do kondenzátu něco, co by způsobilo, že se vyvine do formy mimo ‚atomovou past‘ a získá vlastnosti pevné látky,“ vysvětlil Ketterle.

Výzkumný tým použil laserové paprsky v komoře s ultravysokým vakuem k řízení pohybu atomů v kondenzátu. Původní sada laserů byla použita k transformaci poloviny atomů BEC na jinou spinovou nebo kvantovou fázi. Vznikly tak dva typy BEC. Přenos atomů mezi dvěma kondenzáty pomocí přídavných laserových paprsků způsobil spinové změny.

"Další lasery poskytly atomům další energetické zvýšení pro spojení rotace a oběžné dráhy," řekl Ketterle. Výsledná látka měla být podle předpovědi fyziků „supertvrdá“, protože kondenzáty s konjugovanými atomy na spinové dráze by se vyznačovaly spontánní „modulací hustoty“. Jinými slovy, hustota hmoty by přestala být konstantní. Místo toho bude mít fázový vzor podobný krystalické pevné látce.

Další výzkum supertvrdých materiálů může vést k lepšímu pochopení vlastností supratekutých látek a supravodičů, které budou rozhodující pro účinný přenos energie. Superhards mohou být také klíčem k vývoji lepších supravodivých magnetů a senzorů.

Ne stavy agregace, ale fáze

Je supertvrdý stav látkou? Odpověď, kterou dává moderní fyzika, není tak jednoduchá. Ze školy si pamatujeme, že fyzikální stav hmoty je hlavní formou, ve které se látka nachází a určuje její základní fyzikální vlastnosti. Vlastnosti látky jsou určeny uspořádáním a chováním molekul, z nichž se skládá. Tradiční dělení skupenství hmoty XNUMX. století rozlišuje tři taková skupenství: pevné (pevné), kapalné (kapalné) a plynné (plynné).

Fáze hmoty se však v současnosti jeví jako přesnější definice forem existence hmoty. Vlastnosti těles v jednotlivých stavech závisí na uspořádání molekul (resp. atomů), ze kterých jsou tato tělesa složena. Z tohoto hlediska platí staré rozdělení do stavů agregace pouze pro některé látky, protože vědecký výzkum ukázal, že to, co bylo dříve považováno za jediný stav agregace, lze ve skutečnosti rozdělit do mnoha fází látky, které se liší povahou. konfigurace částic. Existují dokonce situace, kdy molekuly ve stejném tělese mohou být současně uspořádány odlišně.

Navíc se ukázalo, že pevné a kapalné skupenství lze realizovat různými způsoby. Počet fází hmoty v systému a počet intenzivních proměnných (například tlak, teplota), které lze měnit bez kvalitativní změny v systému, popisuje Gibbsův fázový princip.

Změna fáze látky může vyžadovat dodání nebo příjem energie – pak bude množství energie vytékající ven úměrné hmotnosti látky, která mění fázi. K některým fázovým přechodům však dochází bez vstupu nebo výstupu energie. Závěr o fázové změně vyvozujeme na základě skokové změny některých veličin, které toto těleso popisují.

V dosud nejrozsáhlejší klasifikaci publikované je asi pět set agregovaných stavů. Mnoho látek, zejména těch, které jsou směsí různých chemických sloučenin, může existovat současně ve dvou nebo více fázích.

Moderní fyzika obvykle přijímá dvě fáze – kapalnou a pevnou, přičemž plynná fáze je jedním z případů kapalné fáze. Mezi ty druhé patří různé druhy plazmatu, již zmíněná nadproudá fáze a řada dalších skupenství hmoty. Pevné fáze jsou reprezentovány různými krystalickými formami i amorfní formou.

Topologická zawiya

Zprávy o nových „agregátních stavech“ nebo těžko definovatelných fázích materiálů jsou v posledních letech stálým repertoárem vědeckých novinek. Zařadit nové objevy do jedné z kategorií přitom není vždy jednoduché. Výše popsaná superpevná látka je pravděpodobně pevnou fází, ale možná mají fyzici jiný názor. Před pár lety v univerzitní laboratoři

Například v Coloradu byla vytvořena kapička z částic arsenidu galia – něco tekutého, něco pevného. V roce 2015 oznámil mezinárodní tým vědců vedený chemikem Cosmasem Prasidesem z univerzity Tohoku v Japonsku objev nového stavu hmoty, který kombinuje vlastnosti izolantu, supravodiče, kovu a magnetu a nazval jej Jahn-Tellerův kov.

Existují i ​​atypické „hybridní“ agregované stavy. Například sklo nemá krystalickou strukturu, a proto je někdy klasifikováno jako „přechlazená“ kapalina. Dále - tekuté krystaly používané v některých displejích; tmel - silikonový polymer, plastický, elastický nebo dokonce křehký, v závislosti na rychlosti deformace; superlepkavá, samotekoucí kapalina (po spuštění bude přepad pokračovat, dokud nebude vyčerpána zásoba kapaliny v horní sklenici); Nitinol, slitina nikl-titan s tvarovou pamětí, se při ohýbání narovná v teplém vzduchu nebo kapalině.

Klasifikace je stále složitější. Moderní technologie smazávají hranice mezi stavy hmoty. Dochází k novým objevům. Nositelé Nobelovy ceny za rok 2016 – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane a J. Michael Kosterlitz – propojili dva světy: hmotu, která je předmětem fyziky, a topologii, která je odvětvím matematiky. Uvědomili si, že existují netradiční fázové přechody spojené s topologickými defekty a netradiční fáze hmoty – topologické fáze. To vedlo k lavině experimentálních a teoretických prací. Tato lavina stále proudí velmi rychlým tempem.

Někteří lidé opět vidí XNUMXD materiály jako nový, jedinečný stav hmoty. Tento typ nanosítě - fosfát, stanen, borofen nebo konečně oblíbený grafen - známe již řadu let. Výše zmínění nositelé Nobelovy ceny se podíleli zejména na topologické analýze těchto jednovrstvých materiálů.

Zdá se, že staromódní věda o stavech hmoty a fázích hmoty ušla dlouhou cestu. Daleko za tím, co si ještě pamatujeme z hodin fyziky.