Czy poznamy kiedyś wszystkie stany materii? Zamiast trzech - pięćset
Fizycy wcześniej przewidywali istnienie ciała nadstałego, ale do tej pory nie odkryto niczego takiego w warunkach laboratoryjnych. Wyniki badań naukowców z MIT zostały opublikowane w czasopiśmie "Nature".
"Materia, która łączy w sobie nadciekłość i cechy ciała stałego, jest sprzeczna z intuicją", pisał w artykule szef zespołu Wolfgang Ketterle, profesor fizyki na MIT i laureat Nagrody Nobla z 2001 r.
Aby opracować tę grzęznącą w sprzeczności formę materii, zespół Ketterle'a manipulował ruchem atomów w stanie nadpłynnym w innej osobliwej formie materii, nazywanej kondensatem Bosego-Einsteina (BEC). Ketterle jest współodkrywcą BEC - to właśnie przyniosło mu Nobla w dziedzinie fizyki.
"Wyzwanie polegało na dodaniu do kondensatu czegoś, co miało sprawić, że rozwinie się w formę wykraczającą poza obręb 'pułapki atomowej' i nabierze cech charakterystycznych dla bryły", wyjaśniał Ketterle.
Do manipulowania ruchem atomów kondensatu zespół naukowy wykorzystywał wiązki laserowe w komorze ultrawysokiej próżni. Początkowy zestaw laserów został użyty do przekształcenia połowy atomów BEC w inną fazę spinową lub kwantową. W ten sposób powstały dwa rodzaje BEC. Przenoszenie atomów pomiędzy dwoma kondensatami za pomocą dodatkowych wiązek lasera powodowało zmiany spinu.
"Dodatkowe lasery dostarczyły atomom dodatkowego impulsu energii do sprzężenia spinowo-orbitalnego", opisywał Ketterle. Oparta na przewidywaniach fizyków materia, która w ten sposób powstała, musiała być "nadstała", ponieważ kondensaty z atomami sprzężonymi na orbicie spinowej charakteryzowałyby się spontaniczną "modulacją gęstości". Innymi słowy, gęstość materii nie byłaby już stała. Zamiast tego miałaby wzór fazowy podobny do krystalicznego ciała stałego.
Dalsze badania nad supersolidem mogłyby doprowadzić do lepszego poznania właściwości nadcieczy i nadprzewodników, co miałoby kluczowe znaczenie dla wydajnego transportu energii. Ciała nadstałe mogą mieć również kluczowe znaczenie dla rozwoju lepszych nadprzewodzących magnesów i czujników.
Nie stany skupienia lecz fazy
Czy ciało nadstałe to stan skupienia materii? Udzielana przez współczesną fizykę odpowiedź nie jest taka prosta. Ze szkoły pamiętamy, że stan skupienia materii to podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej główne właściwości fizyczne. Właściwości substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek ją tworzących. Tradycyjny, pochodzący z XVII wieku, podział stanów skupienia wyróżnia trzy takie stany: stały (ciało stałe), ciekły (ciecz), gazowy (gaz).
Obecnie jednak bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji wydaje się faza materii. Właściwości ciał w poszczególnych stanach zależą od ułożenia cząsteczek (lub atomów), z których zbudowane są te ciała. Z tego punktu widzenia stary podział na stany skupienia jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyż badania naukowe wykazały, że to, co wcześniej uważano za jeden stan skupienia, można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniących się konfiguracją cząsteczek. Występują nawet sytuacje, w których w jednym ciele cząsteczki mogą być równocześnie ułożone w różny sposób.
Ponadto okazało się, że stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na wiele różnych sposobów. Liczbę faz materii w układzie oraz liczbę zmiennych intensywnych (np. ciśnienie, temperatura), które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu, opisuje reguła faz Gibbsa.
Zmiana fazy materii może wymagać dostarczenia lub odebrania energii – wówczas ilość przepływającej energii będzie proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę. Niektóre przemiany fazowe przebiegają jednak bez dostarczenia lub odebrania energii. O zmianie fazy wnioskujemy na podstawie skokowej zmiany niektórych wielkości opisujących to ciało.
W najobszerniejszej dotąd opublikowanej klasyfikacji występuje ok. pięćset stanów skupienia. Wiele substancji – zwłaszcza tych, które są mieszaninami różnych związków chemicznych - może występować naraz w dwóch lub więcej fazach.
Współczesna fizyka przyjmuje najogólniej dwie fazy - ciekłą i stałą, zaś faza gazowa jest jednym z przypadków fazy ciekłej. Do tej ostatniej należą również różne rodzaje plazmy i wspominana już faza nadciekła oraz szereg innych stanów materii. Fazami stałymi są różne formy krystaliczne, ale również forma amorficzna.
Topologiczny zawijas
Doniesienia o nowych "stanach skupienia" bądź trudnych do określenia fazach materiałów to stały repertuar wiadomości naukowych w ostatnich latach. Przy czym przypisanie coraz to nowych odkryć do którejś z kategorii nie zawsze jest proste. Opisywane wcześniej ciało nadstałe to chyba faza stała, ale być może fizycy mają na ten temat inne zdanie. Kilka lat temu w laboratorium Uniwersytetu
Stanowego w Kolorado stworzono np. z cząsteczek arsenku galu dropleton - trochę ciecz, trochę ciało stałe. W 2015 r. międzynarodowy zespół uczonych, kierowany przez chemika Kosmasa Prassidesa z Tohoku University w Japonii, ogłosił odkrycie nowego stanu materii, będącej kombinacją właściwości izolatora, nadprzewodnika, metalu i magnetyka, nazywając ją metalem Jahna-Tellera.
Występują też nietypowe, "hybrydowe" stany skupienia. Przykładowo, szkło nie ma struktury krystalicznej, stąd jest czasem klasyfikowane jako ciecz "przechłodzona". Dalej - ciekłe kryształy stosowane w niektórych wyświetlaczach; silly putty - polimer silikonowy, plastyczny, sprężysty lub nawet kruchy, w zależności od szybkości deformacji; superlepka, samoprzelewająca się ciecz (raz rozpoczęte przelewanie będzie trwało tak długo, dopóki nie wyczerpie się zapas cieczy w górnej szklance); nitinol, czyli stop niklu i tytanu wykazujący pamięć kształtu – zgięty, wyprostuje się w strumieniu ciepłego powietrza lub w cieczy.
Klasyfikacja coraz bardziej się komplikuje. Współczesne technologie zacierają granice między stanami skupienia. Dochodzą nowe odkrycia. Nobliści z 2016 r. - David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane i J. Michael Kosterlitz - połączyli dwa światy: materii, będącej przedmiotem badań fizyki, oraz topologii, będącej działem matematyki. Zdali sobie sprawę, że istnieją inne niż tradycyjne przejścia fazowe związane z defektami topologicznymi oraz inne niż tradycyjne fazy materii - fazy topologiczne. Spowodowało to lawinę prac doświadczalnych i teoretycznych. Lawina ta ciągle płynie bardzo wartkim strumieniem.
Niektórzy znów traktują dwuwymiarowe materiały jako nowy, unikatowy stan materii. Tego typu nanosieci - fosforen, stanenen, borofen czy w końcu popularny grafen - znamy już od lat. Wspominani nobliści zajmowali się m.in. analizą topologiczną tych jednowarstwowych materiałów.
Staromodna nauka o stanach skupienia i fazach materii zaszła, jak widać, daleko. Daleko poza to, co być może pamiętamy jeszcze z lekcji fizyki.
