Akankah kita mengetahui semua keadaan materi? Alih-alih tiga, lima ratus
Tahun lalu, media menyebarkan informasi bahwa “suatu bentuk materi telah muncul”, yang bisa disebut superhard atau, misalnya, lebih nyaman, meski kurang Polandia, superhard. Berasal dari laboratorium ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology, itu adalah semacam kontradiksi yang menggabungkan sifat-sifat padatan dan superfluida - yaitu. cairan dengan viskositas nol.
Fisikawan sebelumnya telah meramalkan keberadaan supernatan, tetapi sejauh ini tidak ada hal serupa yang ditemukan di laboratorium. Hasil studi para ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology dipublikasikan di jurnal Nature.
"Suatu zat yang menggabungkan superfluiditas dan sifat padat menentang akal sehat," pemimpin tim Wolfgang Ketterle, profesor fisika di MIT dan pemenang Hadiah Nobel 2001, menulis di koran.
Untuk memahami bentuk materi yang kontradiktif ini, tim Ketterle memanipulasi gerakan atom dalam keadaan superpadat dalam bentuk materi aneh lainnya yang disebut kondensat Bose-Einstein (BEC). Ketterle adalah salah satu penemu BEC, yang membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel dalam Fisika.
“Tantangannya adalah menambahkan sesuatu ke kondensat yang akan menyebabkannya berevolusi menjadi bentuk di luar 'perangkap atom' dan memperoleh karakteristik padatan,” jelas Ketterle.
Tim peneliti menggunakan sinar laser dalam ruang vakum ultra-tinggi untuk mengontrol pergerakan atom dalam kondensat. Set laser asli digunakan untuk mengubah setengah dari atom BEC menjadi putaran atau fase kuantum yang berbeda. Dengan demikian, dua jenis BEC telah dibuat. Pemindahan atom antara dua kondensat dengan bantuan sinar laser tambahan menyebabkan perubahan putaran.
"Laser tambahan memberikan atom dengan dorongan energi tambahan untuk kopling spin-orbit," kata Ketterle. Substansi yang dihasilkan, menurut prediksi fisikawan, seharusnya "sangat keras", karena kondensat dengan atom terkonjugasi dalam orbit spin akan ditandai dengan "modulasi densitas" spontan. Dengan kata lain, kepadatan materi akan berhenti menjadi konstan. Sebaliknya, ia akan memiliki pola fase yang mirip dengan padatan kristal.
Penelitian lebih lanjut ke bahan superhard dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang sifat superfluida dan superkonduktor, yang akan sangat penting untuk transfer energi yang efisien. Superhard juga dapat menjadi kunci untuk mengembangkan magnet dan sensor superkonduktor yang lebih baik.
Bukan status agregasi, tetapi fase
Apakah keadaan superhard adalah suatu zat? Jawaban yang diberikan oleh fisika modern tidak sesederhana itu. Kita ingat dari sekolah bahwa keadaan fisik materi adalah bentuk utama di mana zat itu berada dan menentukan sifat fisik dasarnya. Sifat suatu zat ditentukan oleh susunan dan perilaku molekul penyusunnya. Pembagian tradisional keadaan materi abad ke-XNUMX membedakan tiga keadaan seperti itu: padat (padat), cair (cair) dan gas (gas).
Namun, saat ini, fase materi tampaknya menjadi definisi yang lebih akurat tentang bentuk-bentuk keberadaan materi. Sifat-sifat benda dalam keadaan individu bergantung pada susunan molekul (atau atom) yang menyusun benda-benda tersebut. Dari sudut pandang ini, pembagian lama menjadi keadaan agregasi hanya berlaku untuk beberapa zat, karena penelitian ilmiah telah menunjukkan bahwa apa yang sebelumnya dianggap sebagai keadaan agregasi tunggal sebenarnya dapat dibagi menjadi banyak fase zat yang berbeda sifatnya. konfigurasi partikel. Bahkan ada situasi ketika molekul dalam tubuh yang sama dapat diatur secara berbeda pada waktu yang sama.
Selain itu, ternyata wujud padat dan cair dapat diwujudkan dengan berbagai cara. Jumlah fase materi dalam sistem dan jumlah variabel intensif (misalnya, tekanan, suhu) yang dapat diubah tanpa perubahan kualitatif dalam sistem dijelaskan oleh prinsip fase Gibbs.
Perubahan fase suatu zat mungkin memerlukan pasokan atau penerimaan energi - maka jumlah energi yang mengalir keluar akan sebanding dengan massa zat yang mengubah fase. Namun, beberapa transisi fase terjadi tanpa input atau output energi. Kami menarik kesimpulan tentang perubahan fase berdasarkan perubahan langkah dalam beberapa jumlah yang menggambarkan tubuh ini.
Dalam klasifikasi paling luas yang diterbitkan hingga saat ini, ada sekitar lima ratus negara bagian. Banyak zat, terutama yang merupakan campuran senyawa kimia yang berbeda, dapat eksis secara bersamaan dalam dua fase atau lebih.
Fisika modern biasanya menerima dua fase - cair dan padat, dengan fase gas menjadi salah satu kasus fase cair. Yang terakhir mencakup berbagai jenis plasma, fase arus super yang telah disebutkan, dan sejumlah keadaan materi lainnya. Fase padat diwakili oleh berbagai bentuk kristal, serta bentuk amorf.
zawiya topologi
Laporan tentang "keadaan agregat" baru atau fase materi yang sulit didefinisikan telah menjadi repertoar berita ilmiah yang konstan dalam beberapa tahun terakhir. Pada saat yang sama, menetapkan penemuan baru ke salah satu kategori tidak selalu mudah. Zat superpadat yang dijelaskan sebelumnya mungkin adalah fase padat, tetapi mungkin fisikawan memiliki pendapat yang berbeda. Beberapa tahun yang lalu di laboratorium universitas
Di Colorado, misalnya, tetesan dibuat dari partikel galium arsenida - sesuatu yang cair, sesuatu yang padat. Pada tahun 2015, tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh ahli kimia Cosmas Prasides di Universitas Tohoku di Jepang mengumumkan penemuan keadaan materi baru yang menggabungkan sifat-sifat isolator, superkonduktor, logam, dan magnet, menyebutnya logam Jahn-Teller.
Ada juga keadaan agregat "hibrid" atipikal. Misalnya, kaca tidak memiliki struktur kristal dan oleh karena itu terkadang diklasifikasikan sebagai cairan "sangat dingin". Selanjutnya - kristal cair yang digunakan di beberapa tampilan; dempul - polimer silikon, plastik, elastis atau bahkan rapuh, tergantung pada tingkat deformasi; cairan yang sangat lengket dan mengalir sendiri (sekali dimulai, luapan akan berlanjut hingga pasokan cairan di gelas atas habis); Nitinol, paduan memori bentuk nikel-titanium, akan menjadi lurus di udara hangat atau cairan saat ditekuk.
Klasifikasi menjadi semakin kompleks. Teknologi modern menghapus batas antara keadaan materi. Penemuan baru sedang dibuat. Pemenang Hadiah Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane dan J. Michael Kosterlitz - menghubungkan dua dunia: materi, yang merupakan subjek fisika, dan topologi, yang merupakan cabang matematika. Mereka menyadari bahwa ada transisi fase non-tradisional yang terkait dengan cacat topologi dan fase materi non-tradisional - fase topologi. Hal ini menyebabkan longsoran karya eksperimental dan teoretis. Longsoran ini masih mengalir dengan kecepatan yang sangat cepat.
Beberapa orang kembali melihat materi XNUMXD sebagai keadaan materi yang baru dan unik. Kami telah mengetahui jenis jaringan nano ini - fosfat, stanena, borofena, atau, akhirnya, grafena yang populer - selama bertahun-tahun. Pemenang Hadiah Nobel yang disebutkan di atas telah terlibat, khususnya, dalam analisis topologi bahan lapisan tunggal ini.
Ilmu pengetahuan kuno tentang keadaan materi dan fase materi tampaknya telah berkembang jauh. Jauh melampaui apa yang masih bisa kita ingat dari pelajaran fisika.
