Coneixerem mai tots els estats de la matèria? En lloc de tres, cinc-cents
L'any passat, els mitjans de comunicació van difondre la informació que "ha sorgit una forma de matèria", que es podria anomenar superdura o, per exemple, més còmoda, encara que menys polonesa, superdura. Procedent dels laboratoris de científics de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, és una mena de contradicció que combina les propietats dels sòlids i els superfluids, és a dir. líquids amb viscositat zero.
Els físics han predit prèviament l'existència d'un sobrenedant, però fins ara no s'ha trobat res semblant al laboratori. Els resultats de l'estudi de científics de l'Institut Tecnològic de Massachusetts es van publicar a la revista Nature.
"Una substància que combina la superfluidesa i les propietats sòlides desafia el sentit comú", va escriure el líder de l'equip Wolfgang Ketterle, professor de física al MIT i guanyador del Premi Nobel de l'any 2001.
Per donar sentit a aquesta forma contradictòria de matèria, l'equip de Ketterle va manipular el moviment dels àtoms en estat supersòlid en una altra forma peculiar de matèria anomenada condensat de Bose-Einstein (BEC). Ketterle és un dels descobridors de BEC, que li va valer el Premi Nobel de Física.
"El repte era afegir alguna cosa al condensat que fes que evolucionés cap a una forma fora de la" trampa atòmica "i adquirís les característiques d'un sòlid", va explicar Ketterle.
L'equip d'investigació va utilitzar raigs làser en una cambra de buit ultra alt per controlar el moviment dels àtoms del condensat. El conjunt original de làsers es va utilitzar per transformar la meitat dels àtoms de BEC en una fase de spin o quàntica diferent. Així, es van crear dos tipus de BEC. La transferència d'àtoms entre dos condensats amb l'ajuda de raigs làser addicionals va provocar canvis de gir.
"Els làsers addicionals van proporcionar als àtoms un impuls d'energia addicional per a l'acoblament de l'òrbita de rotació", va dir Ketterle. La substància resultant, segons la predicció dels físics, hauria d'haver estat "súper dura", ja que els condensats amb àtoms conjugats en una òrbita de spin es caracteritzarien per una "modulació de la densitat" espontània. En altres paraules, la densitat de la matèria deixaria de ser constant. En canvi, tindrà un patró de fase similar a un sòlid cristal·lí.
Una investigació addicional sobre materials superdurs pot conduir a una millor comprensió de les propietats dels superfluids i superconductors, que seran fonamentals per a una transferència eficient d'energia. Els superhards també poden ser la clau per desenvolupar millors imants i sensors superconductors.
No estats d'agregació, sinó fases
L'estat superdur és una substància? La resposta que dóna la física moderna no és tan senzilla. Recordem des de l'escola que l'estat físic de la matèria és la forma principal en què es troba la substància i en determina les propietats físiques bàsiques. Les propietats d'una substància estan determinades per la disposició i el comportament de les molècules que la constitueixen. La divisió tradicional dels estats de la matèria del segle XVII distingeix tres d'aquests estats: sòlid (sòlid), líquid (líquid) i gasós (gas).
Tanmateix, en l'actualitat, la fase de la matèria sembla ser una definició més acurada de les formes d'existència de la matèria. Les propietats dels cossos en estats individuals depenen de la disposició de les molècules (o àtoms) de les quals estan compostos aquests cossos. Des d'aquest punt de vista, l'antiga divisió en estats d'agregació només és certa per a algunes substàncies, ja que la investigació científica ha demostrat que el que abans es considerava un estat d'agregació únic es pot dividir en realitat en moltes fases d'una substància que difereixen en la naturalesa. configuració de partícules. Fins i tot hi ha situacions en què les molècules d'un mateix cos es poden disposar de manera diferent alhora.
A més, va resultar que els estats sòlid i líquid es poden realitzar de diverses maneres. El nombre de fases de la matèria en el sistema i el nombre de variables intensives (per exemple, pressió, temperatura) que es poden canviar sense un canvi qualitatiu en el sistema es descriuen pel principi de fase de Gibbs.
Un canvi en la fase d'una substància pot requerir el subministrament o la recepció d'energia; llavors la quantitat d'energia que surt serà proporcional a la massa de la substància que canvia la fase. Tanmateix, algunes transicions de fase es produeixen sense entrada o sortida d'energia. Treurem una conclusió sobre el canvi de fase a partir d'un canvi de pas en algunes quantitats que descriuen aquest cos.
A la classificació més extensa publicada fins ara, hi ha uns cinc-cents estats agregats. Moltes substàncies, especialment les que són mescles de diferents compostos químics, poden existir simultàniament en dues o més fases.
La física moderna sol acceptar dues fases: líquida i sòlida, sent la fase gasosa un dels casos de la fase líquida. Aquests últims inclouen diversos tipus de plasma, la ja esmentada fase de supercorrent i una sèrie d'altres estats de la matèria. Les fases sòlides estan representades per diverses formes cristal·lines, així com una forma amorfa.
Zawiya topològica
Els informes de nous "estats agregats" o fases de materials difícils de definir han estat un repertori constant de notícies científiques en els darrers anys. Al mateix temps, assignar nous descobriments a una de les categories no sempre és fàcil. La substància supersòlida descrita anteriorment és probablement una fase sòlida, però potser els físics tenen una opinió diferent. Fa uns anys en un laboratori universitari
A Colorado, per exemple, es va crear una gota a partir de partícules d'arsenur de gal·li: quelcom líquid, quelcom sòlid. El 2015, un equip internacional de científics dirigit pel químic Cosmas Prasides de la Universitat de Tohoku al Japó va anunciar el descobriment d'un nou estat de la matèria que combina les propietats d'un aïllant, superconductor, metall i imant, anomenant-lo metall Jahn-Teller.
També hi ha estats agregats "híbrids" atípics. Per exemple, el vidre no té una estructura cristal·lina i, per tant, de vegades es classifica com a líquid "sobrerefrigerat". A més - cristalls líquids utilitzats en algunes pantalles; massilla - polímer de silicona, plàstic, elàstic o fins i tot trencadís, depenent de la velocitat de deformació; líquid super enganxós i autofluent (un cop iniciat, el desbordament continuarà fins que s'esgoti el subministrament de líquid al got superior); El nitinol, un aliatge de memòria de forma de níquel-titani, es redreçarà a l'aire calent o líquid quan es doblega.
La classificació es fa cada cop més complexa. Les tecnologies modernes esborren els límits entre els estats de la matèria. S'estan fent nous descobriments. Els guanyadors del Premi Nobel 2016 -David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane i J. Michael Kosterlitz- van connectar dos mons: la matèria, que és l'assignatura de la física, i la topologia, que és una branca de les matemàtiques. Es van adonar que hi ha transicions de fase no tradicionals associades a defectes topològics i fases no tradicionals de la matèria: fases topològiques. Això va provocar una allau de treball experimental i teòric. Aquesta allau encara flueix a un ritme molt ràpid.
Algunes persones tornen a veure els materials XNUMXD com un estat de la matèria nou i únic. Fa molts anys que coneixem aquest tipus de nanoxarxes -fosfat, estanè, borofè o, finalment, el popular grafè-. Els esmentats premis Nobel s'han implicat, en particular, en l'anàlisi topològica d'aquests materials d'una sola capa.
La ciència antiga dels estats de la matèria i les fases de la matèria sembla haver recorregut un llarg camí. Molt més enllà del que encara podem recordar de les lliçons de física.
