Adakah kita akan tahu semua keadaan jirim? Daripada tiga, lima ratus
Tahun lepas, media menyebarkan maklumat bahawa "suatu bentuk jirim telah timbul," yang boleh dipanggil superhard atau, sebagai contoh, lebih mudah, walaupun kurang bahasa Poland, superhard. Datang dari makmal saintis di Massachusetts Institute of Technology, ia adalah sejenis percanggahan yang menggabungkan sifat pepejal dan cecair super - i.e. cecair dengan kelikatan sifar.
Ahli fizik sebelum ini telah meramalkan kewujudan supernatan, tetapi setakat ini tiada yang serupa ditemui di makmal. Hasil kajian saintis di Massachusetts Institute of Technology diterbitkan dalam jurnal Nature.
"Bahan yang menggabungkan sifat cecair super dan pepejal menentang akal sehat," ketua pasukan Wolfgang Ketterle, profesor fizik di MIT dan pemenang Hadiah Nobel 2001, menulis dalam kertas itu.
Untuk memahami bentuk jirim yang bercanggah ini, pasukan Ketterle memanipulasi gerakan atom dalam keadaan superpejal dalam bentuk jirim yang lain yang dipanggil kondensat Bose-Einstein (BEC). Ketterle adalah salah seorang penemu BEC, yang memberikannya Hadiah Nobel dalam Fizik.
"Cabarannya adalah untuk menambah sesuatu kepada kondensat yang akan menyebabkan ia berkembang menjadi bentuk di luar 'perangkap atom' dan memperoleh ciri-ciri pepejal," jelas Ketterle.
Pasukan penyelidik menggunakan pancaran laser dalam ruang vakum ultra tinggi untuk mengawal pergerakan atom dalam kondensat. Set laser asal digunakan untuk mengubah separuh daripada atom BEC menjadi fasa putaran atau kuantum yang berbeza. Oleh itu, dua jenis BEC telah dicipta. Pemindahan atom antara dua kondensat dengan bantuan pancaran laser tambahan menyebabkan perubahan putaran.
"Laser tambahan menyediakan atom dengan rangsangan tenaga tambahan untuk gandingan spin-orbit, " kata Ketterle. Bahan yang terhasil, menurut ramalan ahli fizik, sepatutnya menjadi "superhard", kerana kondensat dengan atom terkonjugasi dalam orbit putaran akan dicirikan oleh "modulasi ketumpatan" spontan. Dalam erti kata lain, ketumpatan jirim akan berhenti menjadi malar. Sebaliknya, ia akan mempunyai corak fasa yang serupa dengan pepejal kristal.
Penyelidikan lanjut ke dalam bahan superhard boleh membawa kepada pemahaman yang lebih baik tentang sifat cecair super dan superkonduktor, yang akan menjadi kritikal untuk pemindahan tenaga yang cekap. Superhards juga mungkin menjadi kunci untuk membangunkan magnet dan penderia superkonduktor yang lebih baik.
Bukan keadaan pengagregatan, tetapi fasa
Adakah keadaan superhard itu bahan? Jawapan yang diberikan oleh fizik moden tidak begitu mudah. Kami masih ingat dari sekolah bahawa keadaan fizikal jirim adalah bentuk utama di mana bahan itu terletak dan menentukan sifat fizikal asasnya. Sifat bahan ditentukan oleh susunan dan kelakuan molekul konstituennya. Pembahagian tradisional keadaan jirim pada abad ke-XNUMX membezakan tiga keadaan sedemikian: pepejal (pepejal), cecair (cecair) dan gas (gas).
Walau bagaimanapun, pada masa ini, fasa jirim nampaknya merupakan takrifan yang lebih tepat tentang bentuk kewujudan jirim. Sifat-sifat jasad dalam keadaan individu bergantung pada susunan molekul (atau atom) yang terdiri daripada jasad ini. Dari sudut pandangan ini, pembahagian lama kepada keadaan pengagregatan adalah benar hanya untuk sesetengah bahan, kerana penyelidikan saintifik telah menunjukkan bahawa apa yang sebelum ini dianggap sebagai satu keadaan pengagregatan sebenarnya boleh dibahagikan kepada banyak fasa bahan yang berbeza sifatnya. konfigurasi zarah. Malah terdapat situasi apabila molekul dalam badan yang sama boleh disusun secara berbeza pada masa yang sama.
Selain itu, ternyata keadaan pepejal dan cecair boleh direalisasikan dalam pelbagai cara. Bilangan fasa jirim dalam sistem dan bilangan pembolehubah intensif (contohnya, tekanan, suhu) yang boleh diubah tanpa perubahan kualitatif dalam sistem diterangkan oleh prinsip fasa Gibbs.
Perubahan dalam fasa bahan mungkin memerlukan bekalan atau penerimaan tenaga - maka jumlah tenaga yang mengalir keluar akan berkadar dengan jisim bahan yang mengubah fasa. Walau bagaimanapun, beberapa peralihan fasa berlaku tanpa input atau output tenaga. Kami membuat kesimpulan tentang perubahan fasa berdasarkan perubahan langkah dalam beberapa kuantiti yang menggambarkan badan ini.
Dalam klasifikasi paling meluas yang diterbitkan setakat ini, terdapat kira-kira lima ratus negeri agregat. Banyak bahan, terutamanya yang merupakan campuran sebatian kimia yang berbeza, boleh wujud serentak dalam dua atau lebih fasa.
Fizik moden biasanya menerima dua fasa - cecair dan pepejal, dengan fasa gas menjadi salah satu kes fasa cecair. Yang terakhir termasuk pelbagai jenis plasma, fasa arus super yang telah disebutkan, dan beberapa keadaan jirim lain. Fasa pepejal diwakili oleh pelbagai bentuk kristal, serta bentuk amorf.
zawiya topologi
Laporan tentang "keadaan agregat" baharu atau fasa bahan yang sukar ditentukan telah menjadi himpunan berterusan berita saintifik dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Pada masa yang sama, menugaskan penemuan baharu kepada salah satu kategori tidak selalu mudah. Bahan superpejal yang diterangkan sebelum ini mungkin merupakan fasa pepejal, tetapi mungkin ahli fizik mempunyai pendapat yang berbeza. Beberapa tahun lalu di makmal universiti
Di Colorado, sebagai contoh, titisan dicipta daripada zarah gallium arsenide - sesuatu cecair, sesuatu pepejal. Pada 2015, pasukan saintis antarabangsa yang diketuai oleh ahli kimia Cosmas Prasides di Universiti Tohoku di Jepun mengumumkan penemuan keadaan jirim baharu yang menggabungkan sifat penebat, superkonduktor, logam dan magnet, yang memanggilnya logam Jahn-Teller.
Terdapat juga keadaan agregat "hibrid" atipikal. Sebagai contoh, kaca tidak mempunyai struktur kristal dan oleh itu kadangkala dikelaskan sebagai cecair "supercooled". Selanjutnya - kristal cecair digunakan dalam beberapa paparan; dempul - polimer silikon, plastik, elastik atau bahkan rapuh, bergantung kepada kadar ubah bentuk; cecair yang sangat melekit, mengalir sendiri (sebaik sahaja dimulakan, limpahan akan berterusan sehingga bekalan cecair di kaca atas habis); Nitinol, aloi ingatan bentuk nikel-titanium, akan diluruskan dalam udara suam atau cecair apabila dibengkokkan.
Klasifikasi menjadi lebih dan lebih kompleks. Teknologi moden memadamkan sempadan antara keadaan jirim. Penemuan baru sedang dibuat. Pemenang Hadiah Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane dan J. Michael Kosterlitz - menghubungkan dua dunia: jirim, yang merupakan subjek fizik, dan topologi, yang merupakan cabang matematik. Mereka menyedari bahawa terdapat peralihan fasa bukan tradisional yang dikaitkan dengan kecacatan topologi dan fasa bukan tradisional jirim - fasa topologi. Ini membawa kepada runtuhan kerja eksperimen dan teori. Salju ini masih mengalir dengan kadar yang sangat laju.
Sesetengah orang sekali lagi melihat bahan XNUMXD sebagai keadaan jirim baharu yang unik. Kami telah mengetahui jenis rangkaian nano ini - fosfat, stanene, borophene, atau, akhirnya, graphene yang popular - selama bertahun-tahun. Pemenang Hadiah Nobel yang disebutkan di atas telah terlibat, khususnya, dalam analisis topologi bahan satu lapisan ini.
Sains zaman dahulu tentang keadaan jirim dan fasa jirim nampaknya telah berjalan jauh. Jauh melebihi apa yang kita masih ingat daripada pelajaran fizik.
