Ці даведаемся мы калі-небудзь усе станы матэрыі? Замест трох, пяцісот
Летась у СМІ распаўсюдзілася інфармацыя аб тым, што «ўзнікла форма матэрыі», якую можна было б назваць звышцвёрдай ці, напрыклад, зручнейшай, хаця і менш польскай, — звышцвёрдай. Якое прыйшло з лабараторый навукоўцаў Масачусецкага тэхналагічнага інстытута, яно ўяўляе сабой нейкую супярэчнасць, якая спалучае ў сабе ўласцівасці цвёрдых целаў і звышцякучых вадкасцяў - г.зн. вадкасцей з нулявой глейкасцю.
Фізікі раней прадказвалі існаванне супернатанта, але пакуль нічога падобнага ў лабараторыі не выяўлена. Вынікі даследавання навукоўцаў Масачусецкага тэхналагічнага інстытута былі апублікаваны ў часопісе Nature.
«Рэчыва, якое спалучае звышцякучасць і цвёрдыя ўласцівасці, супярэчыць разумнаму сэнсу», — напісаў у артыкуле кіраўнік групы Вольфганг Кетэрле, прафесар фізікі Масачусецкага тэхналагічнага інстытута і лаўрэат Нобелеўскай прэміі 2001 года.
Каб разабрацца ў гэтай супярэчлівай форме матэрыі, каманда Кетэрле маніпулявала рухам атамаў у звышцвёрдым стане ў іншай своеасаблівай форме матэрыі, званай кандэнсатам Бозэ-Эйнштэйна (БЭК). Кетэрле з'яўляецца адным з першаадкрывальнікаў БЭК, што прынесла яму Нобелеўскую прэмію па фізіцы.
"Задача заключалася ў тым, каб дадаць да кандэнсату нешта, што прымусіла б яго развіцца ў форму за межамі "атамнай пасткі" і набыць характарыстыкі цвёрдага цела", – растлумачыў Кетэрле.
Даследчая група выкарыстоўвала лазерныя прамяні ў камеры звышвысокага вакууму для кіравання рухам атамаў кандэнсату. Першапачатковы набор лазераў выкарыстоўваўся для пераўтварэння паловы атамаў БЭК у іншую спінавай або квантавую фазу. Такім чынам, былі створаны два тыпы БЭК. Перанос атамаў паміж двума кандэнсатамі з дапамогай дадатковых лазерных прамянёў выклікаў змены спіна.
"Дадатковыя лазеры падалі атамам дадатковы імпульс энергіі для спін-арбітальнай сувязі", – паведаміў Кетэрле. Атрыманае рэчыва, па прадказанні фізікаў, павінна было быць "звышцвёрдым", паколькі кандэнсаты з спалучанымі атамамі на спінавай арбіце характарызаваліся б спантаннай "мадуляцыяй шчыльнасці". Іншымі словамі, шчыльнасць матэрыі перастала б быць сталай. Замест гэтага ён будзе мець фазавы ўзор, падобны на крышталічнае цвёрдае цела.
Далейшыя даследаванні звышцвёрдых матэрыялаў могуць прывесці да лепшага разумення ўласцівасцяў звышцякучых вадкасцей і звышправаднікоў, што будзе мець вырашальнае значэнне для эфектыўнага пераносу энергіі. Звышцвёрдыя рэчывы таксама могуць быць ключом да распрацоўкі больш дасканалых звышправодных магнітаў і датчыкаў.
Не агрэгатныя станы, а фазы
Ці з'яўляецца звышцвёрды стан рэчывам? Адказ, які дае сучасная фізіка, не такі просты. Мы памятаем са школы, што фізічны стан матэрыі з'яўляецца асноўнай формай, у якой рэчыва знаходзіцца і вызначае яго асноўныя фізічныя ўласцівасці. Уласцівасці рэчыва вызначаюцца размяшчэннем і паводзінамі малекул, якія яго складаюць. Традыцыйны падзел станаў рэчыва XVII стагоддзя вылучае тры такія станы: цвёрдае (цвёрдае), вадкае (вадкае) і газападобны (газ).
Аднак у наш час больш дакладным азначэннем формаў існавання рэчыва ўяўляецца фаза матэрыі. Уласцівасці цел у асобных станах залежаць ад размяшчэння малекул (або атамаў), з якіх гэтыя целы складаюцца. З гэтага пункта гледжання стары падзел на агрэгатныя станы дакладна толькі для некаторых рэчываў, бо навуковыя даследаванні паказалі, што тое, што раней лічылася адзіным агрэгатным станам, насамрэч можа быць падзелена на мноства фаз рэчыва, якія адрозніваюцца па сваёй прыродзе. канфігурацыя часціц. Бываюць нават сітуацыі, калі ў адным і тым жа целе малекулы могуць размяшчацца па-рознаму ў адзін і той жа час.
Больш за тое, аказалася, што цвёрды і вадкі станы могуць рэалізоўвацца самымі рознымі спосабамі. Колькасць фаз рэчыва ў сістэме і колькасць інтэнсіўных зменных (напрыклад, ціск, тэмпература), якія можна змяніць без якаснай змены сістэмы, апісваецца прынцыпам фаз Гібса.
Змена фазы рэчыва можа запатрабаваць падводу або паступленні энергіі - тады колькасць вынікаючай энергіі будзе прапарцыйна масе рэчыва, які змяняе фазу. Аднак некаторыя фазавыя пераходы адбываюцца без падводу ці адводу энергіі. Які робіцца выснова аб змене фазы на падставе ступеністай змены некаторых велічынь, якія апісваюць гэта цела.
У самай шырокай з апублікаваных на сённяшні дзень класіфікацый налічваецца каля пяцісот агрэгатных станаў. Многія рэчывы, асабліва тыя, якія ўяўляюць сабой сумесі розных хімічных злучэнняў, могуць існаваць адначасова ў дзвюх ці больш фазах.
Сучасная фізіка звычайна прымае дзве фазы - вадкую і цвёрдую, прычым газавая фаза з'яўляецца адным з выпадкаў вадкай фазы. Да апошніх адносяцца і розныя віды плазмы, і ўжо згаданая звышбягучая фаза, і шэраг іншых станаў рэчыва. Цвёрдыя фазы прадстаўлены рознымі крышталічнымі формамі, а таксама аморфнай формай.
Тапалагічныя завіі
Паведамленні аб новых "агрэгатных станах" або цяжка вызначаных фазах матэрыялаў былі пастаянным рэпертуарам навуковых навін у апошнія гады. У той жа час аднесці новыя адкрыцці да адной з катэгорый не заўсёды проста. Апісанае раней звышцвёрдае рэчыва, верагодна, з'яўляецца цвёрдай фазай, але, магчыма, у фізікаў іншае меркаванне. Некалькі гадоў таму ва ўніверсітэцкай лабараторыі
У Каларада, напрыклад, з часціц арсеніду галію быў створаны драплетон - нешта вадкае, нешта цвёрдае. У 2015 годзе міжнародная група навукоўцаў на чале з хімікам Космасам Прасідэсам з Універсітэта Тохоку ў Японіі аб'явіла аб адкрыцці новага стану рэчыва, якое спалучае ў сабе ўласцівасці ізалятара, звышправадніка, металу і магніта, назваўшы яго металам Ян-Тэлера.
Сустракаюцца і нетыповыя гібрыдныя агрэгатныя станы. Напрыклад, шкло не мае крышталічнай структуры і таму часам класіфікуецца як "пераахалоджаная" вадкасць. Далей - вадкія крышталі, якія выкарыстоўваюцца ў некаторых дысплеях; шпакляванне – сіліконавы палімер, пластычны, эластычны ці нават далікатны, у залежнасці ад хуткасці дэфармацыі; суперліпкая, самабягучая вадкасць (аднойчы пачаўшыся, пераліў будзе працягвацца датуль, пакуль не будзе вычарпаны запас вадкасці ў верхняй шклянцы); Ніцінол, нікель-тытанавы сплаў з памяццю формы - пры згінанні выпрастаецца ў струмені цёплага паветра або ў вадкасці.
Класіфікацыя становіцца ўсё больш складанай. Сучасныя тэхналогіі сціраюць межы паміж станамі матэрыі. Робяцца новыя адкрыцці. Лаўрэаты Нобелеўскай прэміі 2016 года — Дэвід Дж. Таўлес, Ф. Дункан, М. Холдэйн і Дж. Майкл Кастэрліц — злучылі два светы: матэрыю, якая з'яўляецца прадметам даследавання фізікі, і тапалогію, якая з'яўляецца раздзелам матэматыкі. Яны зразумелі, што існуюць нетрадыцыйныя фазавыя пераходы, звязаныя з тапалагічнымі дэфектамі і нетрадыцыйнымі фазамі матэрыі - тапалагічнымі фазамі. Гэта прывяло да лавіны эксперыментальных і тэарэтычных прац. Гэтая лавіна ўсё яшчэ цячэ вельмі хуткім патокам.
Некаторыя людзі зноў разглядаюць двухмерныя матэрыялы як новы, унікальны стан матэрыі. Мы ведаем гэты тып нанасетак – фасфат, станен, барафен ці, нарэшце, папулярны графен – ужо шмат гадоў. Вышэйзгаданыя лаўрэаты Нобелеўскай прэміі займаліся, у прыватнасці, тапалагічны аналіз гэтых аднаслаёвых матэрыялаў.
Старамодная навука аб станах матэрыі і фазах матэрыі, відаць, прайшла доўгі шлях. Далёка за межамі таго, што мы яшчэ можам памятаць з урокаў фізікі.
