Malalaman ba natin ang lahat ng estado ng bagay? Sa halip na tatlo, limang daan
Noong nakaraang taon, ang media ay kumalat ng impormasyon na "isang anyo ng bagay ay lumitaw," na maaaring tawaging superhard o, halimbawa, mas maginhawa, kahit na hindi gaanong Polish, superhard. Nagmumula sa mga laboratoryo ng mga siyentipiko sa Massachusetts Institute of Technology, ito ay isang uri ng kontradiksyon na pinagsasama ang mga katangian ng solids at superfluids - i.e. mga likido na may zero lagkit.
Nauna nang hinulaan ng mga physicist ang pagkakaroon ng supernatant, ngunit sa ngayon ay wala pang katulad na natagpuan sa laboratoryo. Ang mga resulta ng pag-aaral ng mga siyentipiko sa Massachusetts Institute of Technology ay inilathala sa journal Nature.
"Ang isang sangkap na pinagsasama ang superfluidity at solid na mga katangian ay lumalaban sa sentido komun," ang pinuno ng koponan na si Wolfgang Ketterle, propesor ng pisika sa MIT at nagwagi ng Nobel Prize noong 2001, ay sumulat sa papel.
Upang magkaroon ng kahulugan ang magkasalungat na anyo ng bagay na ito, manipulahin ng pangkat ni Ketterle ang paggalaw ng mga atomo sa isang supersolid na estado sa isa pang kakaibang anyo ng bagay na tinatawag na Bose-Einstein condensate (BEC). Si Ketterle ay isa sa mga nakatuklas ng BEC, na nakakuha sa kanya ng Nobel Prize sa Physics.
"Ang hamon ay magdagdag ng isang bagay sa condensate na magiging dahilan upang ito ay mag-evolve sa isang anyo sa labas ng 'atomic trap' at makuha ang mga katangian ng isang solid," paliwanag ni Ketterle.
Gumamit ang pangkat ng pananaliksik ng mga laser beam sa isang ultra-high vacuum chamber upang kontrolin ang paggalaw ng mga atomo sa condensate. Ang orihinal na hanay ng mga laser ay ginamit upang baguhin ang kalahati ng mga BEC atoms sa ibang spin o quantum phase. Kaya, dalawang uri ng BEC ang nilikha. Ang paglipat ng mga atomo sa pagitan ng dalawang condensate sa tulong ng karagdagang mga laser beam ay nagdulot ng mga pagbabago sa pag-ikot.
"Ang mga karagdagang laser ay nagbigay sa mga atom ng karagdagang enerhiya para sa spin-orbit coupling," sabi ni Ketterle. Ang resultang substance, ayon sa hula ng mga physicist, ay dapat na "superhard", dahil ang mga condensate na may conjugated atoms sa isang spin orbit ay mailalarawan ng kusang "density modulation". Sa madaling salita, ang density ng bagay ay titigil na maging pare-pareho. Sa halip, magkakaroon ito ng phase pattern na katulad ng isang mala-kristal na solid.
Ang karagdagang pananaliksik sa mga superhard na materyales ay maaaring humantong sa isang mas mahusay na pag-unawa sa mga katangian ng mga superfluid at superconductor, na magiging kritikal para sa mahusay na paglipat ng enerhiya. Ang mga superhard ay maaari ding maging susi sa pagbuo ng mas mahusay na superconducting magnet at sensor.
Hindi mga estado ng pagsasama-sama, ngunit mga yugto
Ang superhard state ba ay substance? Ang sagot na ibinigay ng modernong pisika ay hindi gaanong simple. Naaalala namin mula sa paaralan na ang pisikal na estado ng bagay ay ang pangunahing anyo kung saan matatagpuan ang sangkap at tinutukoy ang mga pangunahing pisikal na katangian nito. Ang mga katangian ng isang sangkap ay natutukoy sa pamamagitan ng pag-aayos at pag-uugali ng mga molecule ng bumubuo nito. Ang tradisyunal na dibisyon ng mga estado ng bagay noong ika-XNUMX siglo ay nakikilala sa tatlong ganoong estado: solid (solid), likido (likido) at gas (gas).
Gayunpaman, sa kasalukuyan, ang yugto ng bagay ay tila isang mas tumpak na kahulugan ng mga anyo ng pagkakaroon ng bagay. Ang mga katangian ng mga katawan sa mga indibidwal na estado ay nakasalalay sa pagkakaayos ng mga molekula (o mga atomo) kung saan ang mga katawan na ito ay binubuo. Mula sa puntong ito, ang lumang paghahati sa mga estado ng pagsasama-sama ay totoo lamang para sa ilang mga sangkap, dahil ipinakita ng siyentipikong pananaliksik na ang dating itinuturing na isang estado ng pagsasama-sama ay maaaring aktwal na hatiin sa maraming mga yugto ng isang sangkap na naiiba sa kalikasan. pagsasaayos ng butil. Mayroong kahit na mga sitwasyon kung saan ang mga molekula sa parehong katawan ay maaaring magkaiba sa parehong oras.
Bukod dito, lumabas na ang solid at likidong estado ay maaaring maisakatuparan sa iba't ibang paraan. Ang bilang ng mga yugto ng bagay sa system at ang bilang ng mga masinsinang variable (halimbawa, presyon, temperatura) na maaaring baguhin nang walang pagbabago sa husay sa system ay inilalarawan ng prinsipyo ng Gibbs phase.
Ang isang pagbabago sa bahagi ng isang sangkap ay maaaring mangailangan ng supply o pagtanggap ng enerhiya - kung gayon ang dami ng enerhiya na dumadaloy palabas ay magiging proporsyonal sa masa ng sangkap na nagbabago sa bahagi. Gayunpaman, ang ilang mga phase transition ay nangyayari nang walang input o output ng enerhiya. Gumagawa kami ng konklusyon tungkol sa pagbabago ng bahagi sa batayan ng isang hakbang na pagbabago sa ilang mga dami na naglalarawan sa katawan na ito.
Sa pinakamalawak na pag-uuri na nai-publish hanggang sa kasalukuyan, mayroong humigit-kumulang limang daang pinagsama-samang estado. Maraming mga sangkap, lalo na ang mga pinaghalong iba't ibang kemikal na compound, ay maaaring umiral nang sabay-sabay sa dalawa o higit pang mga yugto.
Ang modernong pisika ay karaniwang tumatanggap ng dalawang yugto - likido at solid, na ang bahagi ng gas ay isa sa mga kaso ng bahaging likido. Kasama sa huli ang iba't ibang uri ng plasma, ang nabanggit na supercurrent phase, at ilang iba pang estado ng matter. Ang mga solid phase ay kinakatawan ng iba't ibang mga kristal na anyo, pati na rin ang isang amorphous na anyo.
Topological zawiya
Ang mga ulat ng mga bagong "pinagsama-samang estado" o mahirap tukuyin na mga yugto ng mga materyales ay isang palaging repertoire ng siyentipikong balita sa mga nakaraang taon. Kasabay nito, ang pagtatalaga ng mga bagong tuklas sa isa sa mga kategorya ay hindi laging madali. Ang supersolid substance na inilarawan kanina ay malamang na isang solid phase, ngunit marahil ang mga physicist ay may ibang opinyon. Ilang taon na ang nakalipas sa isang laboratoryo ng unibersidad
Sa Colorado, halimbawa, ang isang dropleton ay nilikha mula sa mga particle ng gallium arsenide - isang bagay na likido, isang bagay na solid. Noong 2015, isang internasyonal na pangkat ng mga siyentipiko na pinamumunuan ng chemist na si Cosmas Prasides sa Tohoku University sa Japan ang nag-anunsyo ng pagtuklas ng isang bagong estado ng bagay na pinagsasama ang mga katangian ng isang insulator, superconductor, metal, at magnet, na tinatawag itong metal na Jahn-Teller.
Mayroon ding mga hindi tipikal na "hybrid" na pinagsama-samang estado. Halimbawa, ang salamin ay walang mala-kristal na istraktura at kung minsan ay nauuri bilang isang "supercooled" na likido. Dagdag pa - mga likidong kristal na ginagamit sa ilang mga display; masilya - silicone polimer, plastik, nababanat o kahit na malutong, depende sa rate ng pagpapapangit; super-sticky, self-flowing liquid (kapag nagsimula, ang overflow ay magpapatuloy hanggang ang supply ng likido sa itaas na baso ay maubos); Ang Nitinol, isang nickel-titanium shape memory alloy, ay ituwid sa mainit na hangin o likido kapag nakayuko.
Ang pag-uuri ay nagiging mas kumplikado. Binura ng mga modernong teknolohiya ang mga hangganan sa pagitan ng mga estado ng bagay. Ang mga bagong pagtuklas ay ginagawa. Ang mga nanalo ng Nobel Prize noong 2016 - sina David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane at J. Michael Kosterlitz - ay nagkonekta ng dalawang mundo: matter, na siyang paksa ng physics, at topology, na isang sangay ng matematika. Napagtanto nila na may mga di-tradisyonal na yugto ng paglipat na nauugnay sa mga topological na depekto at hindi tradisyonal na mga yugto ng bagay - mga topological na yugto. Ito ay humantong sa isang avalanche ng eksperimental at teoretikal na gawain. Ang avalanche na ito ay umaagos pa rin sa napakabilis na bilis.
Ang ilang mga tao ay muling nakikita ang mga XNUMXD na materyales bilang isang bago, natatanging estado ng bagay. Alam namin ang ganitong uri ng nanonetwork - phosphate, stanene, borophene, o, sa wakas, ang sikat na graphene - sa loob ng maraming taon. Ang nabanggit na mga nanalo ng Nobel Prize ay kasangkot, sa partikular, sa topological analysis ng mga single-layer na materyales na ito.
Ang makalumang agham ng mga estado ng bagay at mga yugto ng bagay ay tila malayo na ang narating. Higit pa sa naaalala natin mula sa mga aralin sa pisika.
