Coñeceremos algunha vez todos os estados da materia? En vez de tres, cincocentos

O ano pasado, os medios difundiron que "xurdiu unha forma de materia" que se podería chamar superduro ou, por exemplo, máis cómodo, aínda que menos polaco, superduro. Procedente dos laboratorios de científicos do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts, é unha especie de contradición que combina as propiedades dos sólidos e dos superfluídos, é dicir. líquidos con viscosidade cero.

Os físicos prediron previamente a existencia dun sobrenadante, pero ata agora non se atopou nada semellante no laboratorio. Os resultados do estudo realizado por científicos do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts foron publicados na revista Nature.

"Unha substancia que combina superfluidez e propiedades sólidas desafía o sentido común", escribiu no artigo o líder do equipo Wolfgang Ketterle, profesor de física no MIT e gañador do Premio Nobel de 2001.

Para dar sentido a esta forma contraditoria da materia, o equipo de Ketterle manipulou o movemento dos átomos en estado supersólido noutra forma peculiar de materia chamada condensado de Bose-Einstein (BEC). Ketterle é un dos descubridores do BEC, que lle valeu o Premio Nobel de Física.

"O reto era engadir algo ao condensado que provocase que se desenvolva nunha forma fóra da 'trampa atómica' e adquira as características dun sólido", explicou Ketterle.

O equipo de investigación utilizou raios láser nunha cámara de baleiro ultra alto para controlar o movemento dos átomos do condensado. O conxunto orixinal de láseres utilizouse para transformar a metade dos átomos BEC nun espín ou fase cuántica diferente. Así, creáronse dous tipos de BEC. A transferencia de átomos entre dous condensados ​​coa axuda de raios láser adicionais provocou cambios de espín.

"Os láseres adicionais proporcionaron aos átomos un impulso de enerxía adicional para o acoplamento de espín-órbita", dixo Ketterle. A substancia resultante, segundo a predición dos físicos, debería ser "superdura", xa que os condensados ​​con átomos conxugados nunha órbita de espín estarían caracterizados por unha "modulación da densidade" espontánea. Noutras palabras, a densidade da materia deixaría de ser constante. Pola contra, terá un patrón de fase similar a un sólido cristalino.

A investigación adicional sobre materiais superduros pode levar a unha mellor comprensión das propiedades dos superfluídos e dos supercondutores, que serán fundamentais para unha transferencia eficiente de enerxía. Os superduros tamén poden ser a clave para desenvolver mellores imáns e sensores supercondutores.

Non estados de agregación, senón fases

O estado superduro é unha substancia? A resposta dada pola física moderna non é tan sinxela. Lembramos dende a escola que o estado físico da materia é a principal forma na que se sitúa a substancia e determina as súas propiedades físicas básicas. As propiedades dunha substancia están determinadas pola disposición e o comportamento das súas moléculas constituíntes. A división tradicional dos estados da materia do século XVII distingue tres tales estados: sólido (sólido), líquido (líquido) e gasoso (gas).

Porén, na actualidade, a fase da materia parece ser unha definición máis precisa das formas de existencia da materia. As propiedades dos corpos en estados individuais dependen da disposición das moléculas (ou átomos) das que están compostos estes corpos. Desde este punto de vista, a antiga división en estados de agregación só é certa para algunhas substancias, xa que as investigacións científicas demostraron que o que antes se consideraba un único estado de agregación en realidade pódese dividir en moitas fases dunha substancia que difiren na natureza. configuración de partículas. Incluso hai situacións nas que as moléculas dun mesmo corpo poden estar dispostas de forma diferente ao mesmo tempo.

Ademais, descubriuse que os estados sólido e líquido pódense realizar de varias maneiras. O número de fases da materia no sistema e o número de variables intensivas (por exemplo, presión, temperatura) que se poden cambiar sen un cambio cualitativo no sistema descríbense polo principio de fase de Gibbs.

Un cambio na fase dunha substancia pode requirir a subministración ou a recepción de enerxía; entón a cantidade de enerxía que sae será proporcional á masa da substancia que cambia a fase. Non obstante, algunhas transicións de fase ocorren sen entrada ou saída de enerxía. Extraemos unha conclusión sobre o cambio de fase a partir dun cambio de paso nalgunhas cantidades que describen este corpo.

Na clasificación máis extensa publicada ata a data, hai uns cincocentos estados agregados. Moitas substancias, especialmente as que son mesturas de diferentes compostos químicos, poden existir simultaneamente en dúas ou máis fases.

A física moderna adoita aceptar dúas fases: líquida e sólida, sendo a fase gaseosa un dos casos da fase líquida. Estes últimos inclúen varios tipos de plasma, a xa mencionada fase de supercorrente e outros estados da materia. As fases sólidas están representadas por varias formas cristalinas, así como unha forma amorfa.

Zawiya topolóxica

Os informes de novos "estados agregados" ou fases de materiais difíciles de definir foron un repertorio constante de noticias científicas nos últimos anos. Ao mesmo tempo, asignar novos descubrimentos a unha das categorías non sempre é doado. A substancia supersólida descrita anteriormente é probablemente unha fase sólida, pero quizais os físicos teñan unha opinión diferente. Hai uns anos nun laboratorio universitario

En Colorado, por exemplo, creouse unha gota a partir de partículas de arseniuro de galio: algo líquido, algo sólido. En 2015, un equipo internacional de científicos dirixido polo químico Cosmas Prasides da Universidade de Tohoku en Xapón anunciou o descubrimento dun novo estado da materia que combina as propiedades dun illante, un superconductor, un metal e un imán, chamándoo metal Jahn-Teller.

Tamén hai estados agregados "híbridos" atípicos. Por exemplo, o vidro non ten unha estrutura cristalina e, polo tanto, ás veces clasifícase como un líquido "superenfriado". Ademais - cristais líquidos usados ​​nalgunhas pantallas; masilla - polímero de silicona, plástico, elástico ou mesmo fráxil, dependendo da taxa de deformación; líquido superpegajoso e autofluido (unha vez iniciado, o desbordamento continuará ata que se esgote o abastecemento de líquido no vaso superior); O nitinol, unha aliaxe con memoria de forma de níquel e titanio, endereitarase no aire quente ou no líquido cando se dobra.

A clasificación faise cada vez máis complexa. As tecnoloxías modernas borran os límites entre os estados da materia. Están a facerse novos descubrimentos. Os gañadores do Premio Nobel de 2016 -David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane e J. Michael Kosterlitz- conectaron dous mundos: a materia, que é a materia da física, e a topoloxía, que é unha rama das matemáticas. Déronse conta de que hai transicións de fase non tradicionais asociadas a defectos topolóxicos e fases non tradicionais da materia: fases topolóxicas. Isto levou a unha avalancha de traballos experimentais e teóricos. Esta avalancha segue a fluír a un ritmo moi acelerado.

Algunhas persoas están a ver de novo os materiais XNUMXD como un estado da materia novo e único. Coñecemos este tipo de nanoredes -fosfato, estaneno, borofeno ou, por último, o popular grafeno- dende hai moitos anos. Os citados premios Nobel estiveron implicados, en particular, na análise topolóxica destes materiais monocapa.

A antiga ciencia dos estados da materia e das fases da materia parece haber percorrido un longo camiño. Moito máis alá do que aínda podemos lembrar das clases de física.