10 usædvanlige sager

De fleste mennesker kan nemt navngive de tre klassiske materielle tilstander af væske, faststof og gas. Dem, der tog nogle flere videnskabskurser, vil tilføje plasma til denne liste. Men gennem årene har forskere udvidet vores liste over mulige materielle forhold langt ud over de store fire. I processen har vi lært meget om Big Bang, lightabers, og en hemmelig tilstand af materiel gemmer sig i den ydmyge kylling.

10Amorfe faste stoffer

Amorfe faste stoffer er en spændende undergruppe af den velkendte faste tilstand. I en normal fast genstand er molekylerne meget organiserede og kan ikke bevæge sig meget frit. Dette giver fast stof høj viskositet, hvilket er et mål for strømningsmotstand. Væsker har derimod en uorganiseret molekylær struktur, som giver dem mulighed for at strømme forbi hinanden, plaske rundt og tage form af beholderen, de holdes i. Et amorft faststof eksisterer halvvejs mellem disse to tilstandsstoffer. I en proces, der kaldes forglasning, stiger en væske af, og dens viskositet øges til det punkt, at den ikke længere strømmer som en væske, men dens molekyler forbliver uordnede og udgør ikke en krystalliseret struktur som et normalt faststof.

Det mest almindelige eksempel på et amorft fast stof er glas. I tusindvis af år har folk lavet glas ved hjælp af silica. Når glasproducenter afkøler silicaen fra dets flydende tilstand, størkner det faktisk ikke, når det passerer under smeltepunktet. Da temperaturen fortsætter med at falde, øger viskositeten, hvilket gør det til at virke solidt. Imidlertid opretholder molekylerne stadig deres uorganiserede struktur. På dette tidspunkt bliver glas et amorft faststof. Denne overgangsproces har gjort det muligt for håndværkere at skabe smukke og surrealistiske glasskulpturer.

Så hvad er den funktionelle forskel mellem et amorft faststof og et normalt faststof? I hverdagen, ikke meget. Glas virker helt solid, indtil man ser på det på et molekylært niveau. Og tag ikke ind i myten at glas flyder som væske i lange perioder. Lazy tour guides vil gerne fortsætte denne myte ved at vise gammelt glas i kirker, der ofte ser tykkere ud mod bunden, men det er faktisk på grund af mangler i glasfremstillingsprocessen, hvilket resulterer i ujævnt glas, der naturligt blev placeret i vinduet med den tykkere side på bunden. Men selvom det måske ikke er meget spændende at se på, har studere amorfe faste stoffer som glas givet forskere ny indsigt i faseovergange og molekylær struktur.

9Superkritiske væsker

De fleste faseovergange forekommer under visse temperatur- og trykparametre. Alle ved, at en stigning i temperaturen i sidste ende vil gøre en væske til en gas. Men når trykket øges sammen med temperaturen, gør væsken i stedet hoppet i riget af superkritiske væsker, som har egenskaberne af både en gas og en væske.

For eksempel er superkritiske væsker i stand til at passere gennem faste stoffer som en gas, men kan også fungere som et opløsningsmiddel som en væske. Interessant nok kan en superkritisk væske finjusteres til at være mere gaslignende eller mere flydende, afhængig af kombinationen af ​​tryk og temperatur. Dette har givet forskere mulighed for at komme med en række applikationer til superkritiske væsker, lige fra det ekstreme til det dagligdags.

Mens superkritiske væsker ikke er så almindelige som amorfe faste stoffer, slutter du sandsynligvis stadig at interagere med dem næsten så ofte som du interagerer med glas. Superkritisk kuldioxid har fået fordel med bryggerierne for at kunne fungere som opløsningsmiddel i hopudvinding, mens kaffeselskaber bruger det til at producere bedre koffeinfri kaffe. Superkritiske væsker er også blevet brugt til at skabe mere effektiv hydrolyse og tillade kraftværker at køre ved højere temperaturer. For en tilstand af materiel ingen har hørt om, bruger du sandsynligvis biprodukter af superkritiske væsker hver eneste dag.

8Degenerate Matter

Mens amorfe faste stoffer i det mindste forekommer på planeten Jorden, findes der kun degenereret materiale inden for bestemte typer stjerner. Degenererende materie eksisterer, når det udadvendte tryk i sagen ikke dikteres af temperaturen som på jorden, men ved komplekse kvanteprincipper, normalt Pauli-udelukkelsesprincippet (mere om det i et øjeblik). På grund af dette ville det udadrettede tryk af degenereret materiale fortsætte, selvom temperaturen i sagen faldt til absolut nul. De to hovedtyper af degenereret stof er kendt som elektron-degenereret materiale og neutron-degenereret materiale.

Elektron-degenereret materiale findes primært i hvide dværgstjerner. Sagen dannes i stjernens kerne, når vægten af ​​sagen omkring kernen forsøger at komprimere kernens elektroner i den laveste energistatus. I henhold til Pauli-udelukkelsesprincippet kan imidlertid ingen to sådanne partikler besidde den samme energitilstand. Således "skubber partiklerne" tilbage på materialet omkring kernen, hvilket skaber et udadrettet tryk på grund af kvantelovgivningen, der dikterer, at alle elektronerne i kernen ikke kan eksistere ved lavest energistatus. Dette kan kun fortsætte, hvis stjernens masse er mindre end 1,44 gange solens masse. Når en stjerne er over denne grænse (kendt som Chandrasekhar-grænsen), vil den simpelthen falde sammen i en neutronstjerne eller et sort hul.

Når en stjerne kollapser til at blive en neutronstjerne, har den ikke længere elektron-degenereret materiale, men består nu af neutron-degenereret materiale. Fordi en neutronstjerne er så tung, får det elektronerne til at smelte sammen med protonerne i kernen og skabe neutroner. Fri neutroner (neutroner, der ikke er bundet i en atomkern) har normalt en halveringstid på 10,3 minutter. Men i kernen af ​​en neutronstjerne tillader stjernens masse neutroner at eksistere uden for en kerne, der danner neutron-degenereret materiale.

Andre eksotiske former for degenereret materiale kan eksistere, herunder mærkeligt materiale, som kunne eksistere i en sjælden form af stjerne kaldet en kvarkstjerne. Quarkstjerner er scenen mellem en neutronstjerne og et sort hul, hvor kvarkerne i kernen afbrydes og skaber en suppe af fri kvark. Vi har endnu ikke observeret denne slags stjerne, men fysikere fortsætter med at teoretisere deres eksistens.

7Superfluid

Lad os vende tilbage til Jorden for at diskutere overflødigt. En superfluid er en tilstand af materie, der eksisterer, når visse isotoper af helium, rubidium og lithium afkøles til næsten absolut nul. Dette ligner et Bose-Einstein-kondensat (BEC), men der er små forskelle. Nogle Bose-Einstein-kondensater er superfluider, og nogle superfluider er Bose-Einstein-kondensater, men ikke alle klasser passer ind i den anden.

Den mest almindelige superfluid er flydende helium. Når helium afkøles til "lambda point" på 2,17 grader Kelvin bliver en del af væsken superfluid. Når de fleste stoffer bliver afkølet til et bestemt punkt, vil tiltrækningen mellem atomer overvinde varme vibrationerne i stoffet, så stoffet kan danne en solid struktur. Men heliumatomer interagerer med hinanden så svagt, at det kan forblive en væske indtil helt nul. Faktisk overlapper karakteristikaene for de enkelte atomer ved denne temperatur hinanden, hvilket skaber superfluidernes mærkelige egenskaber.

Til at begynde med har en superfluid ikke intern viskositet. Superfluider placeret i et reagensglas begynder at krybe op i siderne af røret, tilsyneladende krænker tyngdekrav og overfladespænding. Væske helium lækker meget let, fordi det kan lække gennem ethvert mikroskopisk hul. Superfluider udviser også mærkelige termodynamiske egenskaber. De har ingen termodynamisk entropi og er uendeligt termisk ledende. Dette betyder, at to superfluider ikke kan have en termisk differentiering. Hvis varmen introduceres til en superfluid, vil den udføre så hurtigt, at der opstår termiske bølger, en egenskab, som ikke eksisterer for normale væsker.

6Bose-Einstein-kondensat

Bose-Einstein-kondensater er nok en af ​​de mest berømte obskure former for materie, men også en af ​​de sværeste at forstå. For det første skal vi forstå, hvad bosoner og fermioner er. En fermion er en partikel med et halvt heltal spin (som en elektron) eller en sammensat partikel (som en proton). Disse partikler adlyder Pauli-udelukkelsesprincippet, der gør elektron-degenereret stof arbejde. En boson har imidlertid et helt heltal spin, og flere bosoner kan besætte den samme kvante tilstand. Bosoner omfatter enhver kraftbærende partikel (såsom fotoner) samt nogle atomer, herunder vores venn helium-4 og andre gasser. Elementer i denne kategori er kendt som bosoniske atomer.

I 1920'erne brugte Albert Einstein indiske fysiker Satyendra Nath Bose til at foreslå en ny form for materie. Einsteins oprindelige teori var, hvis du afkølet visse elementale gasser til en brøkdel af en kelvin over absolut nul, ville deres bølgefunktioner sammentrække for at skabe en "superatom". Et sådant stof ville vise kvanteffekter på et makroskopisk niveau. Men det var først i 1990'erne, at teknologien eksisterede til tilstrækkeligt kølige elementer til den nødvendige temperatur. I 1995 undersøgte Eric Cornell og Carl Wieman sammen 2.000 atomer i et Bose-Einstein-kondensat, der var stort nok til at ses i et mikroskop.

Bose-Einstein-kondensater er nært beslægtede med superfluider, men har deres egen unikke egenskab. Det mest chokerende er, at en BEC kan sænke lyset ned fra sin normale hastighed på 300.000 meter per sekund. I 1998 kunne Harvard-forsker Lene Hau sænke lyset til blot 60 km i timen (37 mph) ved at skyde en laser gennem en cigar-formet prøve af BEC. I senere forsøg kunne Hau's team standse lyset helt i en BEC ved at slukke for laseren, da den passerede gennem prøven. Disse eksperimenter har åbnet helt nye felter i lysbaseret kommunikation og kvantemetode.

5Jahn-Teller Metals

Jahn-Teller Metals er det nyeste barn på materielblokken, hvor forskere kun har skabt dem for første gang i 2015. Hvis bekræftet af andre laboratorier, kan eksperimentet ændre verden som vi ved det, da Jahn-Teller-metaller har egenskaber af både en isolator og en superleder.

Forskere ledet af kemiker Kosmas Prassides eksperimenterede ved at tage kulstof-60 molekyler (koldt kaldet buckyballs) og indsætte rubidium i strukturen, hvilket tvang kulstof-60 molekylerne til at tage en ny form. Metalet er opkaldt efter Jahn-Teller-effekten, som beskriver, hvordan tryk kan ændre geometriske form af molekyler til nye elektronkonfigurationer. I kemi opnås ikke blot tryk ved at komprimere noget, men det kan også opnås ved at tilføje nye atomer eller molekyler til en allerede eksisterende struktur, der ændrer dets grundlæggende egenskaber.

Da Prassides forskningsteam begyndte at indsætte rubidium i carbon-60-molekylerne, ændrede carbonmolekylerne fra en isolator til en superleder. På grund af Jahn-Teller-effekten forsøgte molekylerne imidlertid at forblive i deres gamle konfiguration, hvilket skabte et stof, der ser ud til at være en isolator, men har de elektriske egenskaber hos en superleder. Overgangen mellem en isolator og en superleder var aldrig blevet set, før disse eksperimenter fandt sted.

Hvad der virkelig er spændende om Jahn-Teller-metaller er, at de bliver superleder ved høje temperaturer (-135 grader Celsius, i modsætning til -243,2 grader Celsius). Dette gør dem tættere på håndterbare niveauer til masseproduktion og eksperimentering.Hvis kravene er korrekte, er vi så meget tættere på masseproducerende materialer, der udfører elektricitet uden modstandsproduktion, ingen varme-, lyd- eller energiudgivelse, hvilket revolutionerer energiproduktion og transport.

4fotografisk materiel

I årtier var den konventionelle visdom bag fotoner, at de var masseløse partikler, der ikke interagere med hinanden. Men i løbet af de sidste par år har MIT og Harvard forskere opdaget nye måder at få lys til at have masse - og har endda skabt "lette molekyler" der hopper af hinanden og binder sammen. Hvis det lyder kedeligt, skal du overveje, at det i det væsentlige er det første skridt til at skabe et lightsaber.

Videnskaben bag fotonisk materiale er lidt kompleks, men holder fast i det. (Husk, lyssværd.) Forskere begyndte at skabe fotonisk materiale gennem eksperimenter med superkølet rubidiumgas. Når en foton skydes gennem gassen, afbøjes den og interagerer med rubidiummolekylerne, taber energi og bremser ned. Til sidst kommer fotonen frem fra gasskyen væsentligt, men med sin identitet intakt.

Ting begynder at blive underlige, når du skyder to fotoner gennem gassen, hvilket forårsager et fænomen, der er kendt som Rydberg-blokaden. Når et atom bliver spændt af en foton, kan de nærliggende atomer ikke være spændte i samme grad. I det væsentlige kommer det ophidsede atom i vejen for fotoner. For at et omliggende atom kan blive spændt af den anden foton, skal den første foton bevæge sig fremad gennem gassen. Fotoner plejer normalt ikke at interagere med hinanden, men når de står over for en Rydberg-blokade, skubber de hinanden gennem gassen, handler energi og interagerer med hinanden undervejs. Fra et udvendigt perspektiv synes disse fotoner at have masse og fungere som et enkelt molekyle, selvom de stadig er massløse. Når fotoner kommer ud af gassen, synes de at være sammenføjet som i et lysmolekyle, der kan afbøjes og støbes.

Praktiske anvendelser af fotonisk materiale er stadig langt væk, men forsker Mikhail Lukin har allerede en hel liste over mulige anvendelser, lige fra computing, til at skabe 3-D krystaller helt ude af lys, og ja, at lave lysabsorber.

3D-ordnet hyperuniformitet

Når man forsøger at afgøre, om et stof er en ny tilstand af stof, ser forskerne på stoffets struktur såvel som dens egenskaber. I 2003 foreslog Salvatore Torquato og Frank H. Stillinger fra Princeton University en ny tilstand af materiel kendt som forstyrret hyperuniformitet. Selv om det kan virke som en oxymoron, var ideen, at den nye type materiel virker uorden, når den ses tæt på, men hyperuniform og struktureret over en lang rækkevidde. Et sådant stof ville have egenskaberne af både en krystal og en væske. Først syntes dette kun at forekomme i enkle plasmaer og i vores flydende brint, men for nylig har forskere fundet et naturligt eksempel på de mest usynlige steder: et kyllingøje.

Kyllinger har fem kegler i deres øjne. Fire detekter farve og en detekterer lysniveauer. I modsætning til det menneskelige øje eller de sekskantede øjne af insekter synes disse kegler imidlertid at være spredt tilfældigt uden nogen reel orden. Dette sker fordi keglerne i et kyllinges øje har en eksklusionszone omkring dem, der ikke tillader to kegler af samme type at sidde ved siden af ​​hinanden. På grund af udelukkelseszonen og formen af ​​keglerne er de ude af stand til at danne en bestilt krystallinsk struktur (som dem vi finder i faste stoffer), men når alle keglerne ses som en helhed, viser det sig, at de faktisk har en meget ordnet mønster, som det kan ses i disse billeder fra Princeton. Således kan vi betegne keglerne i et kyllinges øje som værende en væske, når de ses tæt på og en solid, når de ses fra fjernt væk. Dette er forskelligt fra ovennævnte amorfe faste stoffer, idet et hyperuniform materiale vil virke som en væske, medens et amorft faststof ikke vil.

Forskere undersøger stadig denne nye materielstilstand, som faktisk kan være mere almindelig, end man oprindeligt tænkte. Lige nu ser Princeton forskere på at bruge hyperuniform materialer til at skabe selvorganiserende strukturer og lysdetektorer rettet mod meget specifikke bølgelængder.

2String-Net Liquid

Hvilken tilstand af materiel er rumfanget? De fleste mennesker har ikke tænkt meget på det spørgsmål, men i det sidste årti har MITs Xiao-Gang Wen og Harvards Michael Levin foreslået en ny tilstand af materiel, der kunne holde nøglen til at opdage grundlæggende partikler ud over elektronen.

Stien til udvikling af strengenet-væskemodellen startede i midten af ​​90'erne, da et forskergruppe foreslog, hvad de kaldte "kvasipartikler", som syntes at forekomme i et eksperiment, hvor elektroner gik mellem to halvledere. Dette forårsagede en smule røre, da kvasi-partiklerne virkede som om de havde en brøkdel, hvilket fysik på det tidspunkt betragtes som umuligt. Holdet tog disse data og foreslog, at elektronen ikke var en fundamental partikel i universet, og at der var flere grundlæggende partikler, som vi ikke havde opdaget endnu. Deres arbejde vandt dem Nobelprisen, men det blev senere opdaget, at deres resultater var forårsaget af en fejl i eksperimentet. Ideen om en "kvasi-partikel" forsvandt.

Men nogle forskere opgav ikke det helt. Wen og Levin tog arbejdet med "kvasi-partikler" og foreslog en ny tilstand af materie kendt som strengnet. Denne tilstand af materiel ville have quantum entanglement som sin grundlæggende egenskab. Ligesom uordnet hyperuniformitet, hvis du kigger på et strengnet netop, synes det at have et uordnet sæt elektroner.Men når man ser på hele strukturen, ville man se, at den var stærkt bestilt på grund af elektronernes kvanteforbindelsesegenskaber. Wen og Levin udvidede derefter deres arbejde til at omfatte andre partikler og entanglement egenskaber.

Da computermodeller blev kørt på den nye tilstand, fandt Wen og Levin, at enden af ​​et strengnet kunne producere de forskellige subatomære partikler, som vi er vokset til at elske, herunder den fabelagtige Äququaspartikel. "Endnu mere chokerende , opdagede de, at når strengnettet vibrerede, gjorde de det i overensstemmelse med Maxwells ligninger, som styrer lys. Wen og Levin foreslog i deres papirer, at rummet er fyldt med strengnettet af indviklede subatomære partikler, og at enderne af disse er Eustrings. De er de subatomære partikler, vi ser. De har også foreslået, at denne strengnet væske er, hvad der forårsager lys at eksistere. Hvis rummets vakuum var fyldt med strengnet væske, ville det give os mulighed for at forene materie og lys.

Det ser måske ud til at være meget fjernet, men i 1972 (årtier før strengenet-forslaget) opdagede geologerne et mærkeligt mineral i Chile kendt som herbertsmithit. Inden for mineralet danner elektroner trekantede strukturer, der synes at modsige det, vi ved om, hvordan elektroner interagerer med hinanden. Denne trekantede struktur forudsiges imidlertid af strengnetmodellen, og forskere har arbejdet med kunstig herbertsmithit for at forsøge at bevise modellen nøjagtig. Desværre er juryen stadig ude om, hvorvidt denne teoretiske tilstand af materiel faktisk eksisterer.

1Quark-Gluon Plasma

For vores sidste uklare tilstand af materiel, lad os se tilbage til tilstanden af ​​materie, som vi alle startede som: kvark-gluon plasma. Faktisk var det tidlige univers en helt anderledes tilstand end vores klassiske stater. Men først en lille baggrund.

Quarks er de elementære partikler, som vi finder inde i hadroner (såsom protoner og neutroner). Hadroner er enten sammensat af tre kvarker eller en kvark og en anti-kvark. Quarks har fraktionale afgifter og holdes sammen af ​​gluoner, som er udvekslingspartiklen til den stærke atomkraft.

Vi ser ikke frie kvarker i naturen, men lige efter Big Bang eksisterede fri kvarker og gluoner i en millisekund. I løbet af denne tid var universets temperatur så varm at kvarkerne og gluonerne næsten ikke interagerede med hinanden, da de bevægede sig nær lysets hastighed. I løbet af denne tidsperiode var universet helt sammensat af dette varme quark-gluon plasma. Efter en anden brøkdel af et sekund ville universet have afkølet nok til at tillade tunge partikler som hadroner at danne, og kvarker begyndte at interagere med gluoner og hinanden. Fra dette tidspunkt begyndte universet, som vi kender det, at formere med hadroner, der binder sammen med elektroner for at skabe primitive atomer.

I den nuværende fase af universet har forskere forsøgt at genskabe kvark-gluon-plasma i store partikelacceleratorer. Under disse eksperimenter bliver tunge partikler som hadroner smadret ind i hinanden, hvilket skaber temperaturer, der gør det muligt for kvarker at afkoble i en kort periode. Fra disse tidlige eksperimenter har vi allerede lært om nogle af egenskaberne af quark-gluon plasma, som tilsyneladende var helt friktionsløse og tættere på en væske end vores normale forståelse af plasmaer. Som forskere fortsætter med at eksperimentere med denne eksotiske tilstand, vil vi lære mere og mere om hvordan og hvorfor vores univers dannede den måde, det gjorde.