Fáum við nokkurn tíma að vita öll ástand efnisins? Í stað þriggja, fimm hundruð

Á síðasta ári dreifðu fjölmiðlar upplýsingum um að „mynd máls hafi komið upp,“ sem kalla mætti ​​ofurhart eða til dæmis þægilegra, þó minna pólskt, ofurhart. Koma frá rannsóknarstofum vísindamanna við Massachusetts Institute of Technology, það er eins konar mótsögn sem sameinar eiginleika fastra efna og ofurvökva - þ.e. vökvar með núll seigju.

Eðlisfræðingar hafa áður spáð fyrir um tilvist flota en hingað til hefur ekkert svipað fundist á rannsóknarstofunni. Niðurstöður rannsóknar vísindamanna við Massachusetts Institute of Technology voru birtar í tímaritinu Nature.

„Efni sem sameinar ofurflæði og fasta eiginleika stangast á við heilbrigða skynsemi,“ skrifaði liðsstjórinn Wolfgang Ketterle, prófessor í eðlisfræði við MIT og Nóbelsverðlaunahafi 2001, í blaðinu.

Til að átta sig á þessu mótsagnakennda formi efnis, stjórnaði teymi Ketterle hreyfingu atóma í ofursolid ástandi í öðru sérkennilegu formi efnis sem kallast Bose-Einstein þéttiefni (BEC). Ketterle er einn af uppgötvendum BEC, sem færði honum Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði.

„Áskorunin var að bæta einhverju við þéttinguna sem myndi valda því að það myndi þróast í form utan „atómgildrunnar“ og öðlast eiginleika fasts efnis,“ útskýrði Ketterle.

Rannsóknarteymið notaði leysigeisla í ofurháu lofttæmishólfi til að stjórna hreyfingu atóma í þéttivatninu. Upprunalega settið af leysum var notað til að umbreyta helmingi BEC atómanna í annan snúnings- eða skammtafasa. Þannig urðu til tvær tegundir af BEC. Flutningur atóma milli tveggja þéttinga með hjálp viðbótar leysigeisla olli snúningsbreytingum.

"Viðbótar leysir veittu frumeindunum aukna orkuuppörvun fyrir snúning-sporbrautartengingu," sagði Ketterle. Efnið sem myndast hefði, samkvæmt spá eðlisfræðinga, átt að vera „ofurhart“, þar sem þéttingar með samtengdum atómum á snúningsbraut myndu einkennast af sjálfsprottinni „þéttleikamótun“. Með öðrum orðum, þéttleiki efnis myndi hætta að vera stöðugur. Þess í stað mun það hafa fasamynstur svipað og kristallað fast efni.

Frekari rannsóknir á ofurhörðum efnum geta leitt til betri skilnings á eiginleikum ofurvökva og ofurleiðara, sem mun skipta sköpum fyrir skilvirkan orkuflutning. Ofurharðir geta líka verið lykillinn að því að þróa betri ofurleiðandi segla og skynjara.

Ekki samsöfnunarástand, heldur fasar

Er ofurharða ástandið efni? Svarið sem nútíma eðlisfræði gefur er ekki svo einfalt. Við munum frá skólanum að eðlisfræðilegt ástand efnis er aðalformið sem efnið er í og ​​ræður eðlisfræðilegum grunneiginleikum þess. Eiginleikar efnis ráðast af uppröðun og hegðun sameinda þess. Hefðbundin skipting efnisástanda XNUMX. aldar greinir í sundur þrjú slík ástand: fast (fast), fljótandi (fljótandi) og loftkennt (gas).

Hins vegar, eins og er, virðist fas efnisins vera nákvæmari skilgreiningu á tilvistarformum efnis. Eiginleikar líkama í einstökum ríkjum eru háðir uppröðun sameindanna (eða atómanna) sem þessir líkamar eru samsettir úr. Frá þessu sjónarhorni á gamla skiptingin í söfnunarástand aðeins við um sum efni, þar sem vísindarannsóknir hafa sýnt að það sem áður var talið eitt söfnunarástand má í raun skipta í marga fasa efnis sem eru mismunandi í eðli sínu. agna stillingar. Það eru jafnvel aðstæður þegar sameindir í sama líkama geta verið raðaðar öðruvísi á sama tíma.

Þar að auki kom í ljós að hægt er að framkvæma fasta og fljótandi ástandið á margvíslegan hátt. Fjöldi fasa efnis í kerfinu og fjöldi ákafa breyta (til dæmis þrýstingur, hitastig) sem hægt er að breyta án eigindlegrar breytingar á kerfinu er lýst með Gibbs fasareglunni.

Breyting á fasa efnis getur krafist framboðs eða móttöku orku - þá mun orkumagnið sem streymir út vera í réttu hlutfalli við massa efnisins sem breytir fasanum. Hins vegar eiga sér stað nokkur fasaskipti án orkuinntaks eða -úttaks. Við drögum ályktun um fasabreytinguna á grundvelli þrepabreytingar í einhverju magni sem lýsir þessum líkama.

Í umfangsmestu flokkun sem gefin hefur verið út til þessa eru um fimm hundruð samanlögð ríki. Mörg efni, sérstaklega þau sem eru blöndur mismunandi efnasambanda, geta verið til samtímis í tveimur eða fleiri áföngum.

Nútíma eðlisfræði samþykkir venjulega tvo fasa - fljótandi og fasta fasa, þar sem gasfasinn er eitt af tilfellum vökvafasans. Hið síðarnefnda felur í sér ýmsar gerðir af plasma, ofurstraumsfasa sem þegar hefur verið nefndur og fjöldi annarra ástands efnis. Fastir fasar eru táknaðir með ýmsum kristalluðum formum, sem og myndlausu formi.

Topological zawiya

Skýrslur um ný „samanlögð ástand“ eða erfitt að skilgreina fasa efna hafa verið stöðug efnisskrá vísindafrétta undanfarin ár. Á sama tíma er ekki alltaf auðvelt að úthluta nýjum uppgötvunum í einn af flokkunum. Ofurfasta efnið sem lýst var áðan er líklega fast fasi, en kannski hafa eðlisfræðingar aðra skoðun. Fyrir nokkrum árum á rannsóknarstofu háskólans

Í Colorado, til dæmis, var dropi búinn til úr ögnum af gallíumarseníði - einhverju fljótandi, einhverju föstu. Árið 2015 tilkynnti alþjóðlegt teymi vísindamanna undir forystu efnafræðingsins Cosmas Prasides við Tohoku háskólann í Japan uppgötvun á nýju ástandi efnis sem sameinar eiginleika einangrunarefnis, ofurleiðara, málms og seguls og kallaði það Jahn-Teller málminn.

Það eru líka óhefðbundin „blending“ samanlagður ástand. Til dæmis hefur gler ekki kristallaða byggingu og er því stundum flokkað sem „ofurkældur“ vökvi. Frekari - fljótandi kristallar notaðir í sumum skjám; kítti - kísill fjölliða, plast, teygjanlegt eða jafnvel brothætt, allt eftir hraða aflögunar; ofurlímandi, sjálfrennandi vökvi (þegar það er byrjað mun yfirfallið halda áfram þar til vökvamagn í efra glasinu er uppurið); Nitinol, nikkel-títan form minni málmblöndu, mun rétta út í heitu lofti eða vökva þegar það er beygt.

Flokkunin verður sífellt flóknari. Nútímatækni þurrkar út mörkin milli ástands efnisins. Nýjar uppgötvanir eru gerðar. Nóbelsverðlaunahafarnir 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane og J. Michael Kosterlitz - tengdu saman tvo heima: efni, sem er viðfangsefni eðlisfræði, og staðfræði, sem er grein stærðfræði. Þeir komust að því að það eru óhefðbundin fasaskipti tengd staðfræðilegum göllum og óhefðbundnum fasum efnis - staðfræðilegum fasum. Þetta leiddi til snjóflóðs tilrauna- og fræðilegrar vinnu. Þetta snjóflóð flæðir enn á mjög miklum hraða.

Sumir sjá aftur tvívíddarefni sem nýtt, einstakt ástand efnis. Við höfum þekkt þessa tegund af nanónetum - fosfat, stanen, bórófen, eða loksins hið vinsæla grafen - í mörg ár. Áðurnefndir Nóbelsverðlaunahafar hafa einkum tekið þátt í staðfræðilegri greiningu á þessum einslaga efnum.

Gamaldags vísindi um ástand efnis og fasa efnis virðast hafa náð langt. Langt umfram það sem við getum enn munað úr eðlisfræðikennslu.