Ще разберем ли някога всички състояния на материята? Вместо три, петстотин

Миналата година медиите разпространиха информация, че „възникна форма на материя“, която може да се нарече свръхтвърда или, например, по-удобна, макар и по-малко полска, свръхтвърда. Идвайки от лабораториите на учени от Масачузетския технологичен институт, това е един вид противоречие, което съчетава свойствата на твърдите вещества и свръхфлуидите – т.е. течности с нулев вискозитет.

Физиците преди това са прогнозирали съществуването на супернатант, но досега нищо подобно не е открито в лабораторията. Резултатите от изследването на учени от Масачузетския технологичен институт са публикувани в списание Nature.

„Вещество, което съчетава свръхтечност и твърди свойства, противоречи на здравия разум“, пише в статията ръководителят на екипа Волфганг Кетерле, професор по физика в Масачузетския технологичен институт и носител на Нобелова награда за 2001 г.

За да разбере тази противоречива форма на материя, екипът на Кетерле манипулира движението на атомите в свръхтвърдо състояние в друга особена форма на материя, наречена Бозе-Айнщайн кондензат (BEC). Кетерле е един от откривателите на BEC, което му носи Нобелова награда по физика.

„Предизвикателството беше да се добави нещо към кондензата, което да го накара да се развие във форма извън „атомния капан“ и да придобие характеристиките на твърдо вещество“, обясни Кетерле.

Изследователският екип използва лазерни лъчи в свръхвисока вакуумна камера, за да контролира движението на атомите в кондензата. Оригиналният набор от лазери беше използван за трансформиране на половината от BEC атомите в различна спинова или квантова фаза. Така бяха създадени два вида BEC. Прехвърлянето на атоми между два кондензата с помощта на допълнителни лазерни лъчи предизвиква спинови промени.

„Допълнителните лазери предоставиха на атомите допълнителен енергийен тласък за спин-орбитално свързване“, каза Кетерле. Полученото вещество, според прогнозата на физиците, би трябвало да бъде "свръхтвърдо", тъй като кондензатите със спрегнати атоми в въртяща се орбита биха се характеризирали със спонтанна "модулация на плътността". С други думи, плътността на материята ще престане да бъде постоянна. Вместо това той ще има фазов модел, подобен на кристално твърдо вещество.

По-нататъшните изследвания на свръхтвърди материали могат да доведат до по-добро разбиране на свойствата на свръхфлуидите и свръхпроводниците, които ще бъдат от решаващо значение за ефективния пренос на енергия. Свръхтвърдите могат също да бъдат ключът към разработването на по-добри свръхпроводящи магнити и сензори.

Не агрегатни състояния, а фази

Свръхтвърдото състояние вещество ли е? Отговорът, даден от съвременната физика, не е толкова прост. От училище помним, че физическото състояние на материята е основната форма, в която се намира веществото и определя основните му физични свойства. Свойствата на веществото се определят от подредбата и поведението на съставните му молекули. Традиционното разделение на състоянията на материята от XNUMX-ти век разграничава три такива състояния: твърдо (твърдо), течно (течно) и газообразно (газ).

В момента обаче фазата на материята изглежда е по-точно определение на формите на съществуване на материята. Свойствата на телата в отделни състояния зависят от подредбата на молекулите (или атомите), от които са съставени тези тела. От тази гледна точка старото разделение на агрегатни състояния е вярно само за някои вещества, тъй като научните изследвания показват, че това, което преди се е считало за едно агрегатно състояние, всъщност може да бъде разделено на много фази на вещество, които се различават по природа. конфигурация на частици. Има дори ситуации, когато молекулите в едно и също тяло могат да бъдат подредени по различен начин по едно и също време.

Освен това се оказа, че твърдото и течно състояние могат да се реализират по различни начини. Броят на фазите на материята в системата и броят на интензивните променливи (например налягане, температура), които могат да се променят без качествена промяна в системата, се описват от фазовия принцип на Гибс.

Промяната във фазата на веществото може да изисква доставка или получаване на енергия - тогава количеството на изтичащата енергия ще бъде пропорционално на масата на веществото, което променя фазата. Въпреки това, някои фазови преходи се случват без входяща или изходяща енергия. Заключението за фазовата промяна се прави въз основа на стъпаловидна промяна на някои величини, описващи това тяло.

В най-обширната класификация, публикувана до момента, има около петстотин агрегатни състояния. Много вещества, особено тези, които са смеси от различни химични съединения, могат да съществуват едновременно в две или повече фази.

Съвременната физика обикновено приема две фази – течна и твърда, като газовата фаза е един от случаите на течната фаза. Последните включват различни видове плазма, вече споменатата свръхтокова фаза и редица други състояния на материята. Твърдите фази са представени от различни кристални форми, както и от аморфна форма.

Топологична завия

Докладите за нови „агрегатни състояния“ или трудни за дефиниране фази на материали са постоянен репертоар от научни новини през последните години. В същото време приписването на нови открития към една от категориите не винаги е лесно. Описаното по-рано свръхтвърдо вещество вероятно е твърда фаза, но може би физиците имат различно мнение. Преди няколко години в университетска лаборатория

В Колорадо например е създаден капчица от частици галиев арсенид - нещо течно, нещо твърдо. През 2015 г. международен екип от учени, ръководен от химика Козмас Прасидис от университета Тохоку в Япония, обяви откриването на ново състояние на материята, което съчетава свойствата на изолатор, свръхпроводник, метал и магнит, наричайки го металът на Jahn-Teller.

Съществуват и нетипични "хибридни" агрегатни състояния. Например стъклото няма кристална структура и поради това понякога се класифицира като "преохладена" течност. Освен това - течни кристали, използвани в някои дисплеи; замазка - силиконов полимер, пластмаса, еластична или дори крехка, в зависимост от скоростта на деформация; супер лепкава, самотечаща се течност (веднъж започнало, преливането ще продължи до изчерпване на запаса от течност в горната чаша); Nitinol, никел-титаниева сплав с памет за формата, ще се изправи в топъл въздух или течност, когато се огъне.

Класификацията става все по-сложна. Съвременните технологии заличават границите между състоянията на материята. Правят се нови открития. Носителите на Нобелова награда за 2016 г. - Дейвид Дж. Таулес, Ф. Дънкан, М. Халдейн и Дж. Майкъл Костерлиц - свързаха два свята: материята, която е предмет на физиката, и топологията, която е клон на математиката. Те разбраха, че има нетрадиционни фазови преходи, свързани с топологични дефекти и нетрадиционни фази на материята - топологични фази. Това доведе до лавина от експериментална и теоретична работа. Тази лавина все още тече с много бързи темпове.

Някои хора отново виждат XNUMXD материалите като ново, уникално състояние на материята. Познаваме този тип наномрежа - фосфат, станен, борофен или, накрая, популярният графен - от много години. Гореспоменатите лауреати на Нобелова награда са участвали по-специално в топологичния анализ на тези еднослойни материали.

Старомодната наука за състоянията на материята и фазите на материята изглежда е изминала дълъг път. Далеч отвъд това, което все още можем да си спомним от уроците по физика.