Será que algum dia conheceremos todos os estados da matéria? Em vez de três, quinhentos

No ano passado, a mídia espalhou a informação de que “surgiu uma forma de matéria”, que poderia ser chamada de superhard ou, por exemplo, mais conveniente, embora menos polonesa, superhard. Proveniente dos laboratórios de cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, é uma espécie de contradição que combina as propriedades de sólidos e superfluidos - ou seja, líquidos com viscosidade zero.

Os físicos previram anteriormente a existência de um sobrenadante, mas até agora nada semelhante foi encontrado em laboratório. Os resultados do estudo realizado por cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts foram publicados na revista Nature.

"Uma substância que combina superfluidez e propriedades sólidas desafia o senso comum", escreveu no artigo o líder da equipe Wolfgang Ketterle, professor de física do MIT e vencedor do Prêmio Nobel de 2001.

Para entender essa forma contraditória de matéria, a equipe de Ketterle manipulou o movimento de átomos em um estado supersólido em outra forma peculiar de matéria chamada condensado de Bose-Einstein (BEC). Ketterle é um dos descobridores do BEC, que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física.

“O desafio era adicionar algo ao condensado que o fizesse evoluir para uma forma fora da 'armadilha atômica' e adquirir as características de um sólido”, explicou Ketterle.

A equipe de pesquisa usou feixes de laser em uma câmara de ultra-alto vácuo para controlar o movimento dos átomos no condensado. O conjunto original de lasers foi usado para transformar metade dos átomos BEC em um spin diferente ou fase quântica. Assim, dois tipos de BECs foram criados. A transferência de átomos entre dois condensados ​​com a ajuda de feixes de laser adicionais causou mudanças de rotação.

"Lasers adicionais forneceram aos átomos um impulso adicional de energia para o acoplamento spin-órbita", disse Ketterle. A substância resultante, segundo a previsão dos físicos, deveria ter sido "superdura", já que os condensados ​​com átomos conjugados em uma órbita de spin seriam caracterizados por "modulação de densidade" espontânea. Em outras palavras, a densidade da matéria deixaria de ser constante. Em vez disso, terá um padrão de fase semelhante a um sólido cristalino.

Mais pesquisas em materiais superduros podem levar a uma melhor compreensão das propriedades dos superfluidos e supercondutores, que serão fundamentais para a transferência eficiente de energia. Superhards também podem ser a chave para desenvolver melhores ímãs e sensores supercondutores.

Não estados de agregação, mas fases

O estado superduro é uma substância? A resposta dada pela física moderna não é tão simples. Lembramos da escola que o estado físico da matéria é a principal forma em que a substância está localizada e determina suas propriedades físicas básicas. As propriedades de uma substância são determinadas pelo arranjo e comportamento de suas moléculas constituintes. A divisão tradicional dos estados da matéria do século XVII distingue três desses estados: sólido (sólido), líquido (líquido) e gasoso (gás).

No entanto, atualmente, a fase da matéria parece ser uma definição mais precisa das formas de existência da matéria. As propriedades dos corpos em estados individuais dependem do arranjo das moléculas (ou átomos) das quais esses corpos são compostos. Deste ponto de vista, a antiga divisão em estados de agregação é válida apenas para algumas substâncias, pois pesquisas científicas mostraram que o que antes era considerado um único estado de agregação pode, na verdade, ser dividido em muitas fases de uma substância que diferem em natureza. configuração de partículas. Existem até situações em que moléculas no mesmo corpo podem ser organizadas de forma diferente ao mesmo tempo.

Além disso, descobriu-se que os estados sólido e líquido podem ser realizados de várias maneiras. O número de fases da matéria no sistema e o número de variáveis ​​intensivas (por exemplo, pressão, temperatura) que podem ser alteradas sem uma mudança qualitativa no sistema são descritos pelo princípio de fase de Gibbs.

Uma mudança na fase de uma substância pode exigir o fornecimento ou recebimento de energia - então a quantidade de energia que flui para fora será proporcional à massa da substância que muda de fase. No entanto, algumas transições de fase ocorrem sem entrada ou saída de energia. Tiramos uma conclusão sobre a mudança de fase com base em uma mudança de etapa em algumas quantidades que descrevem este corpo.

Na classificação mais extensa publicada até hoje, existem cerca de quinhentos estados agregados. Muitas substâncias, especialmente aquelas que são misturas de diferentes compostos químicos, podem existir simultaneamente em duas ou mais fases.

A física moderna costuma aceitar duas fases - líquida e sólida, sendo a fase gasosa um dos casos da fase líquida. Estes últimos incluem vários tipos de plasma, a já mencionada fase supercorrente e vários outros estados da matéria. As fases sólidas são representadas por várias formas cristalinas, bem como uma forma amorfa.

Zawiya topológico

Relatos de novos "estados agregados" ou fases difíceis de definir de materiais têm sido um constante repertório de notícias científicas nos últimos anos. Ao mesmo tempo, atribuir novas descobertas a uma das categorias nem sempre é fácil. A substância supersólida descrita anteriormente é provavelmente uma fase sólida, mas talvez os físicos tenham uma opinião diferente. Alguns anos atrás em um laboratório universitário

No Colorado, por exemplo, uma gota foi criada a partir de partículas de arseneto de gálio - algo líquido, algo sólido. Em 2015, uma equipe internacional de cientistas liderada pelo químico Cosmas Prasides, da Universidade de Tohoku, no Japão, anunciou a descoberta de um novo estado da matéria que combina as propriedades de um isolante, supercondutor, metal e ímã, chamando-o de metal Jahn-Teller.

Existem também estados agregados "híbridos" atípicos. Por exemplo, o vidro não possui uma estrutura cristalina e, portanto, às vezes é classificado como um líquido "super-resfriado". Além disso - cristais líquidos usados ​​em alguns monitores; massa de vidraceiro - polímero de silicone, plástico, elástico ou mesmo quebradiço, dependendo da taxa de deformação; líquido superpegajoso e autofluido (uma vez iniciado, o transbordamento continuará até que o suprimento de líquido no copo superior se esgote); O nitinol, uma liga de memória de forma de níquel-titânio, endireitará em ar quente ou líquido quando dobrado.

A classificação torna-se cada vez mais complexa. As tecnologias modernas apagam as fronteiras entre os estados da matéria. Novas descobertas estão sendo feitas. Os vencedores do Prêmio Nobel de 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane e J. Michael Kosterlitz - conectaram dois mundos: a matéria, que é o assunto da física, e a topologia, que é um ramo da matemática. Eles perceberam que existem transições de fase não tradicionais associadas a defeitos topológicos e fases não tradicionais da matéria - fases topológicas. Isso levou a uma avalanche de trabalho experimental e teórico. Esta avalanche ainda está fluindo em um ritmo muito rápido.

Algumas pessoas estão novamente vendo os materiais XNUMXD como um novo e único estado da matéria. Conhecemos esse tipo de nanorede - fosfato, estano, borofeno ou, finalmente, o popular grafeno - há muitos anos. Os vencedores do Prêmio Nobel acima mencionados estiveram envolvidos, em particular, na análise topológica desses materiais de camada única.

A ciência antiquada dos estados da matéria e fases da matéria parece ter percorrido um longo caminho. Muito além do que ainda podemos lembrar das aulas de física.