10 stati inusuali

La maggior parte delle persone può facilmente nominare i tre stati di materia classica di liquido, solido e gas. Coloro che hanno seguito alcuni altri corsi di scienze aggiungeranno plasma a quella lista. Ma nel corso degli anni, gli scienziati hanno ampliato la nostra lista di possibili stati della materia ben oltre i quattro grandi. Nel processo, abbiamo imparato molto sul Big Bang, spade laser e uno stato segreto di materia nascosto nell'umile pollo.

10 Solidi morfi

I solidi amorfi sono un sottogruppo intrigante del noto stato solido. In un normale oggetto solido, le molecole sono altamente organizzate e non possono muoversi liberamente. Ciò conferisce elevata viscosità alla sostanza solida, che è una misura della resistenza al flusso. I liquidi, d'altro canto, hanno una struttura molecolare disorganizzata, che consente loro di fluire l'uno sull'altro, di sguazzare e assumere la forma del contenitore in cui sono trattenuti. Un solido amorfo esiste a metà strada tra questi due stati della materia. In un processo noto come vetrificazione, un liquido si raffredda e la sua viscosità aumenta al punto che non fluisce più come un liquido, ma le sue molecole rimangono disordinate e non formano una struttura cristallizzata come un normale solido.

L'esempio più comune di un solido amorfo è il vetro. Per migliaia di anni, le persone hanno fabbricato il vetro usando il silicio. Quando i produttori di vetro raffreddano la silice dal suo stato liquido, in realtà non si solidifica quando passa sotto il punto di fusione. Mentre la temperatura continua a diminuire, la viscosità aumenta, facendolo sembrare solido. Tuttavia, le molecole mantengono ancora la loro struttura disorganizzata. A questo punto, il vetro diventa un solido amorfo. Questo processo di transizione ha permesso agli artigiani di creare sculture di vetro belle e surreali.

Quindi qual è la differenza funzionale tra un solido amorfo e un solido normale? Nella vita di tutti i giorni, non molto. Il vetro sembra completamente solido finché non lo guardi a livello molecolare. E non lasciatevi ingannare dal mito che il vetro scorre come liquido per lunghi periodi. Guide turistiche pigre come perpetuare questo mito mostrando il vecchio vetro nelle chiese, che spesso sembra più spesso verso il basso, ma in realtà a causa delle imperfezioni nel processo di fabbricazione del vetro con conseguente vetro irregolare, che è stato naturalmente collocato nella finestra con il lato più spesso sul fondo. Tuttavia, anche se potrebbe non essere molto eccitante da guardare, lo studio di solidi amorfi come il vetro ha dato ai ricercatori nuove intuizioni sulle transizioni di fase e sulla struttura molecolare.

9 Fluidi superflui

La maggior parte delle transizioni di fase avvengono sotto determinati parametri di temperatura e pressione. Tutti sanno che un aumento della temperatura alla fine trasformerà un liquido in un gas. Tuttavia, quando la pressione aumenta con la temperatura, il liquido fa invece il salto nel regno dei fluidi supercritici, che hanno le proprietà sia di un gas che di un liquido.

Ad esempio, i fluidi supercritici sono in grado di attraversare solidi come un gas, ma possono anche agire come un solvente come un liquido. È interessante notare che un fluido supercritico può essere regolato per essere più simile a gas o più liquido, a seconda della combinazione di pressione e temperatura. Ciò ha permesso agli scienziati di presentare una varietà di applicazioni per fluidi supercritici, che vanno dall'estremo al mondano.

Mentre i fluidi supercritici non sono comuni come solidi amorfi, probabilmente continuerai a interagire con loro quasi tutte le volte che interagisci con il vetro. Il biossido di carbonio supercritico ha guadagnato il favore delle aziende produttrici di birra per la sua capacità di agire come solvente nell'estrazione del luppolo, mentre le aziende del caffè lo utilizzano per produrre un caffè decaffeinato migliore. I fluidi supercritici sono stati anche usati per creare idrolisi più efficiente e per consentire alle centrali di funzionare a temperature più elevate. Per uno stato di materia di cui nessuno ha mai sentito parlare, probabilmente utilizzi sottoprodotti di fluidi supercritici ogni giorno.

8Digenerate Matter

Mentre solidi amorfi si verificano almeno sul pianeta Terra, la materia degenerata esiste solo all'interno di certi tipi di stelle. La materia degenerata esiste quando la pressione esterna della materia non è dettata dalla temperatura, come sulla Terra, ma da complessi principi quantistici, di solito il principio di esclusione di Pauli (più su questo in un momento). Per questo motivo, la pressione esterna della materia degenerata persiste anche se la temperatura della materia scende allo zero assoluto. I due tipi principali di materia degenerata sono noti come materia degenerata da elettroni e materia degenera-neutrona.

La materia degenerata da elettroni esiste principalmente nelle stelle nane bianche. La materia si forma nel nucleo della stella, quando il peso della materia attorno al nucleo cerca di comprimere gli elettroni del nucleo nello stato energetico più basso. Tuttavia, secondo il principio di esclusione di Pauli, nessuna di queste due particelle può occupare lo stesso stato di energia. Pertanto, le particelle "spingono" indietro sul materiale attorno al nucleo, creando una pressione verso l'esterno a causa delle leggi quantistiche che stabiliscono che tutti gli elettroni nel nucleo non possono esistere allo stato di energia più basso. Questo può persistere solo se la massa della stella è inferiore a 1,44 volte la massa del nostro Sole. Quando una stella è al di sopra di questo limite (noto come limite di Chandrasekhar), semplicemente collasserà in una stella di neutroni o in un buco nero.

Quando una stella collassa per diventare una stella di neutroni, non ha più la materia degenerata dagli elettroni, ma ora è costituita da materia degenerabile ai neutroni. Poiché una stella di neutroni è così pesante, provoca la fusione degli elettroni con i protoni nel nucleo, creando neutroni. I neutroni liberi (neutroni non legati in un nucleo atomico) di solito hanno un'emivita di 10,3 minuti. Ma nel nucleo di una stella di neutroni, la massa della stella permette ai neutroni di esistere al di fuori di un nucleo, formando materia degenerata da neutroni.

Potrebbero esistere altre forme esotiche di materia degenerata, inclusa la materia strana, che potrebbe esistere in una rara forma di stella chiamata stella a quark. Le stelle di quark sono il palcoscenico tra una stella di neutroni e un buco nero, dove i quark nel nucleo si disaccoppiano e creano una zuppa di quark liberi. Non abbiamo ancora osservato questo tipo di stella, ma i fisici continuano a teorizzare la loro esistenza.

7Superfluid

Torniamo sulla Terra per discutere di superfluidi. Un superfluido è uno stato di materia che esiste quando certi isotopi di elio, rubidio e litio vengono raffreddati quasi a zero assoluto. Questo è simile a un condensato di Bose-Einstein (BEC), ma ci sono lievi differenze. Alcuni condensati di Bose-Einstein sono superfluidi e alcuni superfluidi sono condensati di Bose-Einstein, ma non tutti i gruppi si inseriscono nell'altro.

Il superfluido più comune è l'elio liquido. Quando l'elio si raffredda fino al "punto lambda" di 2,17 gradi Kelvin, parte del liquido diventa un superfluido. Quando la maggior parte delle sostanze viene raffreddata fino a un certo punto, l'attrazione tra gli atomi supererà le vibrazioni di calore nella sostanza, consentendo alla sostanza di formare una struttura solida. Ma gli atomi di elio interagiscono l'uno con l'altro in modo così debole da poter mantenere un liquido fino allo zero assoluto. Infatti, a quella temperatura, le caratteristiche dei singoli atomi si sovrappongono, creando le strane proprietà dei superfluidi.

Per cominciare, un superfluido non ha viscosità interna. I superfluidi posti in una provetta cominceranno a strisciare lungo i lati del tubo, apparentemente violando le leggi di gravità e la tensione superficiale. L'elio liquido perde molto facilmente perché può fuoriuscire attraverso qualsiasi foro microscopico. I superfluidi mostrano anche strane proprietà termodinamiche. Hanno zero entropia termodinamica e sono infinitamente termoconduttivi. Ciò significa che due superfluidi non possono avere un differenziale termico. Se il calore viene introdotto in un superfluido, si comporterà così rapidamente da creare onde termiche, una proprietà che non esiste per i liquidi normali.

6Bose-Einstein Condensato

I condensati di Bose-Einstein sono probabilmente una delle più famose forme oscure di materia, ma anche una delle più difficili da comprendere. Innanzitutto, dobbiamo capire quali sono i bosoni e i fermioni. Un fermione è una particella con un giro semi-intero (come un elettrone) o una particella composita (come un protone). Queste particelle obbediscono al principio di esclusione di Pauli che fa funzionare la materia degenerata da elettroni. Un bosone, tuttavia, ha uno spin intero pieno e più bosoni possono occupare lo stesso stato quantico. I bosoni includono qualsiasi particella che trasporta la forza (come i fotoni) così come alcuni atomi, incluso il nostro amico elio-4 e altri gas. Gli elementi di questa categoria sono noti come atomi bosonici.

Negli anni '20, Albert Einstein usò il lavoro del fisico indiano Satyendra Nath Bose per proporre una nuova forma di materia. La teoria originale di Einstein era che se si raffreddassero determinati gas elementali a una frazione di un kelvin sopra lo zero assoluto, le loro funzioni d'onda si sarebbero coalizzate per creare un "superatom". Tale sostanza mostrerebbe effetti quantistici a livello macroscopico. Ma non è stato fino agli anni '90 che la tecnologia esisteva per produrre elementi sufficientemente interessanti per la temperatura necessaria. Nel 1995, le ricerche di Eric Cornell e Carl Wieman furono in grado di riunire 2.000 atomi in un condensato di Bose-Einstein, che era abbastanza grande da essere visto al microscopio.

I condensati di Bose-Einstein sono strettamente correlati ai superfluidi, ma hanno un proprio insieme di proprietà uniche. Il più scioccante è che un BEC possa rallentare la luce dalla sua normale velocità di 300.000 metri al secondo. Nel 1998, la ricercatrice di Harvard, Lene Hau, è stata in grado di rallentare la luce fino a soli 60 chilometri all'ora (37 mph), sparando un laser attraverso un campione a forma di sigaro di BEC. In esperimenti successivi, il team di Hau è stato in grado di fermare completamente la luce in un BEC spegnendo il laser mentre passava attraverso il campione. Questi esperimenti hanno aperto nuovi campi della comunicazione basata sulla luce e dell'informatica quantistica.

5Jahn-Teller Metals

I Jahn-Teller Metals sono i più recenti bambini sul blocco degli stati di materia, con i ricercatori che li hanno creati con successo solo per la prima volta nel 2015. Se confermato da altri laboratori, l'esperimento potrebbe cambiare il mondo come lo conosciamo, dal momento che Jahn-Teller metalli avere proprietà sia di un isolante che di un superconduttore.

I ricercatori guidati dal chimico Kosmas Prassides hanno sperimentato l'assunzione di molecole di carbonio-60 (colloquialmente conosciute come buckyballs) e l'inserimento di rubidio nella struttura, che ha costretto le molecole di carbonio-60 ad assumere una nuova forma. Il metallo prende il nome dall'effetto Jahn-Teller, che descrive come la pressione può cambiare la forma geometrica delle molecole in nuove configurazioni di elettroni. In chimica, la pressione non si ottiene solo comprimendo qualcosa, ma può anche essere ottenuta aggiungendo nuovi atomi o molecole a una struttura preesistente, cambiando le sue proprietà fondamentali.

Quando il team di ricerca di Prassides ha iniziato a inserire il rubidio nelle molecole di carbonio-60, le molecole di carbonio sono passate da un isolante a un superconduttore. Tuttavia, a causa dell'effetto Jahn-Teller, le molecole hanno cercato di rimanere nella loro vecchia configurazione, che ha creato una sostanza che sembra essere un isolante ma ha le proprietà elettriche di un superconduttore. La transizione tra un isolante e un superconduttore non era mai stata vista fino a quando non si sono verificati questi esperimenti.

Quello che è davvero eccitante per i metalli Jahn-Teller è che diventano un superconduttore ad alte temperature (-135 gradi Celsius, contro -243.2 gradi Celsius). Questo li rende più vicini a livelli gestibili per la produzione di massa e la sperimentazione.Se le affermazioni sono corrette, siamo molto più vicini ai materiali di produzione di massa che conducono elettricità senza resistenza, senza produrre calore, suono o rilascio di energia, rivoluzionando così la produzione e il trasporto di energia.

Materia 4Photonic

Per decenni, la saggezza convenzionale dietro i fotoni era che erano particelle senza massa che non interagivano tra loro. Tuttavia, negli ultimi anni, i ricercatori del MIT e di Harvard hanno scoperto nuovi modi per far sembrare che la luce abbia massa, e hanno persino creato "molecole leggere" che rimbalzano l'una sull'altra e si uniscono. Se ciò sembra noioso, considera che è essenzialmente il primo passo per creare una spada laser.

La scienza che sta alla base della materia fotonica è un po 'complessa, ma resta fedele. (Ricorda, spade laser.) I ricercatori hanno iniziato a creare materiale fotonico attraverso esperimenti con gas di rubidio super raffreddato. Quando un fotone viene colpito attraverso il gas, devia e interagisce con le molecole di rubidio, perdendo energia e rallentando. Alla fine, il fotone emerge dalla nube di gas notevolmente rallentato ma con la sua identità intatta.

Le cose cominciano a diventare strane quando spari due fotoni attraverso il gas, che causa un fenomeno noto come blocco di Rydberg. Quando un atomo viene eccitato da un fotone, gli atomi vicini non possono essere eccitati allo stesso grado. Essenzialmente, l'atomo eccitato interferisce con i fotoni. Affinché un atomo circostante sia eccitato dal secondo fotone, il primo fotone deve spostarsi in avanti attraverso il gas. I fotoni di solito non interagiscono tra loro, ma quando si trovano di fronte a un blocco di Rydberg, si spingono l'un l'altro attraverso il gas, scambiando energia e interagendo l'uno con l'altro lungo la strada. Da una prospettiva esterna, questi fotoni sembrano avere massa e agire come una singola molecola, anche se sono ancora senza massa. Quando i fotoni emergono dal gas, sembrano essere uniti insieme, come in una molecola di luce che può essere deflessa e modellata.

Le applicazioni pratiche della materia fotonica sono ancora lontane, ma il ricercatore Mikhail Lukin ha già un'intera lista di possibili usi, che vanno dall'informatica, alla creazione di cristalli 3-D completamente senza luce e, sì, alla produzione di spade laser.

Iperuniformità 3Disordered

Quando si cerca di decidere se una sostanza è un nuovo stato della materia, gli scienziati esaminano la struttura della sostanza e le sue proprietà. Nel 2003, Salvatore Torquato e Frank H. Stillinger della Princeton University proposero un nuovo stato della materia noto come iperuniformità disordinata. Mentre quello potrebbe sembrare un ossimoro, l'idea era che il nuovo tipo di materia sembrasse disordinato se visto da vicino ma iper-uniforme e strutturato su un lungo raggio. Tale materia avrebbe le proprietà sia di un cristallo sia di un liquido. Inizialmente, questo sembrava accadere solo nei plasmi semplici e nel nostro idrogeno liquido, ma recentemente i ricercatori hanno trovato un esempio naturale nei luoghi più improbabili: l'occhio di un pollo.

I polli hanno cinque coni nei loro occhi. Quattro rilevano il colore e uno rileva i livelli di luce. Tuttavia, a differenza dell'occhio umano o degli occhi esagonali degli insetti, questi coni sembrano essere dispersi a caso senza un vero ordine. Ciò si verifica perché i coni nell'occhio di un pollo hanno una zona di esclusione intorno a loro che non consente a due coni dello stesso tipo di sedersi uno accanto all'altro. A causa della zona di esclusione e della forma dei coni, non sono in grado di formare una struttura cristallina ordinata (come quelli che troviamo nei solidi) ma quando tutti i coni sono visti nel loro insieme, si scopre che in realtà hanno un ordine molto elevato modello, come si può vedere in queste immagini da Princeton. Quindi, possiamo descrivere i coni nell'occhio di un pollo come un liquido se visto da vicino e solido quando visto da lontano. Questo è diverso dai solidi amorfi menzionati sopra in quanto un materiale iper-uniforme agirà come un liquido, mentre un solido amorfo non lo farà.

Gli scienziati stanno ancora ricercando questo nuovo stato della materia, che potrebbe effettivamente essere più comune di quanto si pensasse inizialmente. Al momento, i ricercatori di Princeton stanno studiando l'uso di materiali iperuniformi per creare strutture auto-strutturanti e rilevatori di luce orientati a lunghezze d'onda molto specifiche.

2String-Net Liquid

Quale stato della materia è il vuoto dello spazio? La maggior parte delle persone non ha pensato molto a questa domanda, ma nell'ultimo decennio il Xiao-Gang Wen del MIT e il Michael Levin di Harvard hanno proposto un nuovo stato di materia che potrebbe contenere la chiave per scoprire particelle fondamentali al di là dell'elettrone.

Il percorso per lo sviluppo del modello liquido a rete stringa è iniziato a metà degli anni '90, quando un gruppo di scienziati ha proposto quelle che chiamavano "quasi-particelle", che sembravano verificarsi in un esperimento in cui gli elettroni passavano tra due semiconduttori. Ciò provocò un certo scalpore, poiché le quasi-particelle agirono come se avessero una carica frazionaria, qualcosa che all'epoca la fisica considerava impossibile. Il team ha preso questi dati e ha proposto che l'elettrone non fosse una particella fondamentale dell'universo, e che ci fossero più particelle fondamentali che non avevamo ancora scoperto. Il loro lavoro ha vinto loro il premio Nobel, ma in seguito è stato scoperto che i loro risultati erano causati da un errore nell'esperimento. L'idea di una "quasi-particella" è scomparsa.

Ma alcuni ricercatori non si sono arresi completamente. Wen e Levin hanno preso il lavoro su "quasi-particelle" e hanno proposto un nuovo stato di materia noto come la rete a corda. Questo stato di materia avrebbe l'entanglement quantico come sua proprietà di base. Proprio come l'iperuniformità disordinata, se guardassi da vicino una rete di fili, sembrerebbe di avere un insieme disordinato di elettroni.Tuttavia, osservando l'intera struttura, si vedrebbe che era altamente ordinato a causa delle proprietà di entanglement quantistico degli elettroni. Wen e Levin hanno poi esteso il loro lavoro per comprendere altre particelle e proprietà di entanglement.

Quando i modelli di computer sono stati eseguiti sul nuovo stato della materia, Wen e Levin hanno scoperto che la fine di una rete di corde poteva produrre le varie particelle subatomiche che siamo cresciute ad amare, inclusa la favolosa particella-acquatico. Ancora più scioccante , hanno scoperto che quando le reti a corda vibravano, lo facevano secondo le equazioni di Maxwell, che governano la luce. Nei loro giornali, Wen e Levin proposero che lo spazio è pieno di reti a stringhe di particelle subatomiche aggrovigliate e che le estremità di queste "stringhe" sono le particelle subatomiche che vediamo. Hanno anche proposto che questo liquido a rete stringa sia ciò che fa sì che la luce esista. Se il vuoto dello spazio fosse riempito con liquido a rete stringa, ci permetterebbe di unificare materia e luce.

Tutto ciò può sembrare molto inverosimile, ma nel 1972 (decenni prima della proposta della corda-rete) i geologi scoprirono uno strano minerale in Cile, noto come erbertsmithite. All'interno del minerale, gli elettroni formano strutture triangolari, che sembrano contraddire ciò che sappiamo su come gli elettroni interagiscono tra loro. Tuttavia, questa struttura triangolare è prevista dal modello string-net, e i ricercatori hanno lavorato con l'artificioso artificioso per provare a dimostrare il modello con precisione. Sfortunatamente, la giuria non è ancora in grado di stabilire se questo stato teorico della materia esiste realmente.

1 plasma Quark-Gluon

Per il nostro ultimo oscuro stato di materia, guardiamo indietro allo stato della materia che tutti abbiamo iniziato come: plasma di quark-gluon. In realtà, l'universo primordiale era uno stato di materia completamente diverso rispetto ai nostri stati classici. Ma prima un po 'di storia.

I quark sono le particelle elementari che troviamo all'interno di adroni (come protoni e neutroni). Gli adroni sono composti da tre quark o un quark e un anti-quark. I quark hanno cariche frazionarie e sono tenuti insieme da gluoni, che sono la particella di scambio per la forza nucleare forte.

Non vediamo i quark liberi in natura, ma subito dopo il Big Bang, per un millisecondo esistevano quark e gluoni liberi. Durante questo periodo, la temperatura dell'universo era così calda che i quark e i gluoni interagivano a malapena tra loro mentre si muovevano vicino alla velocità della luce. Durante questo periodo di tempo, l'universo era interamente composto da questo caldo plasma di quark e gluoni. Dopo un'altra frazione di secondo, l'universo si sarebbe raffreddato abbastanza da consentire la formazione di particelle pesanti come gli adroni e i quark iniziarono a interagire con i gluoni e l'un l'altro. Da questo punto in poi, l'universo come lo conosciamo cominciò a formarsi, con gli adroni che si legavano agli elettroni per creare atomi primitivi.

Nell'attuale fase dell'universo, gli scienziati hanno cercato di ricreare il plasma di quark e gluoni in grossi acceleratori di particelle. Durante questi esperimenti, particelle pesanti come adroni si rompono l'una nell'altra, creando temperature che consentono ai quark di disaccoppiarsi per un breve periodo. Da questi primi esperimenti, abbiamo già appreso alcune delle proprietà del plasma di quark-gluone, che apparentemente era completamente privo di attrito e più vicino a un liquido rispetto alla nostra normale comprensione dei plasmi. Mentre i ricercatori continuano a sperimentare questo stato di materia esotica, impareremo sempre di più su come e perché il nostro universo si è formato come ha fatto.