¿Conoceremos alguna vez todos los estados de la materia? en lugar de tres, quinientos
El año pasado, los medios de comunicación difundieron la información de que “ha surgido una forma de materia”, que podría llamarse superdura o, por ejemplo, más conveniente, aunque menos polaco, superdura. Viniendo de los laboratorios de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts, es una especie de contradicción que combina las propiedades de los sólidos y los superfluidos, es decir. líquidos con viscosidad cero.
Los físicos han predicho previamente la existencia de un sobrenadante, pero hasta ahora no se ha encontrado nada similar en el laboratorio. Los resultados del estudio realizado por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts se publicaron en la revista Nature.
"Una sustancia que combina superfluidez y propiedades sólidas desafía el sentido común", escribió en el artículo el líder del equipo Wolfgang Ketterle, profesor de física en el MIT y ganador del Premio Nobel en 2001.
Para dar sentido a esta forma contradictoria de la materia, el equipo de Ketterle manipuló el movimiento de los átomos en un estado supersólido en otra forma peculiar de la materia llamada condensado de Bose-Einstein (BEC). Ketterle es uno de los descubridores de BEC, que le valió el Premio Nobel de Física.
“El desafío era agregar algo al condensado que hiciera que evolucionara hacia una forma fuera de la 'trampa atómica' y adquiriera las características de un sólido”, explicó Ketterle.
El equipo de investigación utilizó rayos láser en una cámara de ultra alto vacío para controlar el movimiento de los átomos en el condensado. El conjunto original de láseres se utilizó para transformar la mitad de los átomos BEC en una fase cuántica o espín diferente. Así, se crearon dos tipos de BEC. La transferencia de átomos entre dos condensados con la ayuda de rayos láser adicionales provocó cambios de espín.
"Los láseres adicionales proporcionaron a los átomos un impulso de energía adicional para el acoplamiento espín-órbita", dijo Ketterle. La sustancia resultante, según la predicción de los físicos, debería haber sido "superdura", ya que los condensados con átomos conjugados en una órbita de espín se caracterizarían por una "modulación de densidad" espontánea. En otras palabras, la densidad de la materia dejaría de ser constante. En cambio, tendrá un patrón de fase similar a un sólido cristalino.
La investigación adicional sobre materiales superduros puede conducir a una mejor comprensión de las propiedades de los superfluidos y los superconductores, que serán fundamentales para una transferencia de energía eficiente. Los superduros también pueden ser la clave para desarrollar mejores imanes y sensores superconductores.
No estados de agregación, sino fases.
¿Es el estado superduro una sustancia? La respuesta dada por la física moderna no es tan simple. Recordamos de la escuela que el estado físico de la materia es la forma principal en que se ubica la sustancia y determina sus propiedades físicas básicas. Las propiedades de una sustancia están determinadas por la disposición y el comportamiento de sus moléculas constituyentes. La división tradicional de los estados de la materia del siglo XVII distingue tres estados: sólido (sólido), líquido (líquido) y gaseoso (gas).
Sin embargo, en la actualidad, la fase de la materia parece ser una definición más precisa de las formas de existencia de la materia. Las propiedades de los cuerpos en estados individuales dependen de la disposición de las moléculas (o átomos) que los componen. Desde este punto de vista, la antigua división en estados de agregación es cierta solo para algunas sustancias, ya que la investigación científica ha demostrado que lo que antes se consideraba un solo estado de agregación, en realidad puede dividirse en muchas fases de una sustancia que difieren en naturaleza. configuración de partículas. Incluso hay situaciones en las que las moléculas en el mismo cuerpo se pueden organizar de manera diferente al mismo tiempo.
Además, resultó que los estados sólido y líquido se pueden realizar de varias maneras. El número de fases de la materia en el sistema y el número de variables intensivas (por ejemplo, presión, temperatura) que se pueden cambiar sin un cambio cualitativo en el sistema se describen mediante el principio de fase de Gibbs.
Un cambio en la fase de una sustancia puede requerir el suministro o la recepción de energía; entonces, la cantidad de energía que sale será proporcional a la masa de la sustancia que cambia la fase. Sin embargo, algunas transiciones de fase ocurren sin entrada o salida de energía. Sacamos una conclusión sobre el cambio de fase sobre la base de un cambio de paso en algunas cantidades que describen este cuerpo.
En la clasificación más extensa publicada hasta la fecha, hay unos quinientos estados agregados. Muchas sustancias, especialmente aquellas que son mezclas de diferentes compuestos químicos, pueden existir simultáneamente en dos o más fases.
La física moderna generalmente acepta dos fases: líquida y sólida, siendo la fase gaseosa uno de los casos de la fase líquida. Estos últimos incluyen varios tipos de plasma, la fase de supercorriente ya mencionada y una serie de otros estados de la materia. Las fases sólidas están representadas por varias formas cristalinas, así como una forma amorfa.
Zawiya topológica
Los informes de nuevos "estados agregados" o fases de materiales difíciles de definir han sido un repertorio constante de noticias científicas en los últimos años. Al mismo tiempo, asignar nuevos descubrimientos a una de las categorías no siempre es fácil. La sustancia supersólida descrita anteriormente es probablemente una fase sólida, pero quizás los físicos tengan una opinión diferente. Hace unos años en un laboratorio universitario
En Colorado, por ejemplo, se creó una gota a partir de partículas de arseniuro de galio, algo líquido, algo sólido. En 2015, un equipo internacional de científicos dirigido por el químico Cosmas Prasides de la Universidad de Tohoku en Japón anunció el descubrimiento de un nuevo estado de la materia que combina las propiedades de un aislante, superconductor, metal e imán, llamándolo el metal Jahn-Teller.
También hay estados agregados "híbridos" atípicos. Por ejemplo, el vidrio no tiene una estructura cristalina y, por lo tanto, a veces se clasifica como un líquido "sobreenfriado". Además, se utilizan cristales líquidos en algunas pantallas; masilla: polímero de silicona, plástico, elástico o incluso quebradizo, según la tasa de deformación; líquido superpegajoso que fluye por sí mismo (una vez iniciado, el desbordamiento continuará hasta que se agote el suministro de líquido en el vaso superior); El nitinol, una aleación con memoria de forma de níquel-titanio, se enderezará en aire caliente o líquido cuando se doble.
La clasificación se vuelve cada vez más compleja. Las tecnologías modernas borran los límites entre los estados de la materia. Se están haciendo nuevos descubrimientos. Los ganadores del Premio Nobel de 2016, David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane y J. Michael Kosterlitz, conectaron dos mundos: la materia, que es el tema de la física, y la topología, que es una rama de las matemáticas. Se dieron cuenta de que hay transiciones de fase no tradicionales asociadas con defectos topológicos y fases no tradicionales de la materia: fases topológicas. Esto condujo a una avalancha de trabajo experimental y teórico. Esta avalancha sigue fluyendo a un ritmo muy rápido.
Algunas personas vuelven a ver los materiales XNUMXD como un estado nuevo y único de la materia. Conocemos este tipo de nanored -fosfato, estaneno, borofeno o, finalmente, el popular grafeno- desde hace muchos años. Los premios Nobel antes mencionados han participado, en particular, en el análisis topológico de estos materiales monocapa.
La ciencia anticuada de los estados de la materia y las fases de la materia parece haber recorrido un largo camino. Mucho más allá de lo que aún podemos recordar de las lecciones de física.
