आपल्याला पदार्थाच्या सर्व अवस्था कधी कळतील का? तीन ऐवजी पाचशे

गेल्या वर्षी, मीडियाने अशी माहिती पसरवली की "एक प्रकारचा पदार्थ निर्माण झाला आहे," ज्याला सुपरहार्ड किंवा उदाहरणार्थ, कमी पोलिश, सुपरहार्ड म्हटले जाऊ शकते. मॅसॅच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीच्या शास्त्रज्ञांच्या प्रयोगशाळांमधून येत आहे, हा एक प्रकारचा विरोधाभास आहे जो घन आणि सुपरफ्लुइड्सचे गुणधर्म एकत्र करतो - म्हणजे. शून्य चिकटपणा असलेले द्रव.

भौतिकशास्त्रज्ञांनी यापूर्वी सुपरनॅटंटच्या अस्तित्वाची भविष्यवाणी केली होती, परंतु आतापर्यंत प्रयोगशाळेत तत्सम काहीही आढळले नाही. मॅसॅच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीच्या शास्त्रज्ञांनी केलेल्या अभ्यासाचे निष्कर्ष जर्नल नेचरमध्ये प्रकाशित झाले आहेत.

एमआयटीमधील भौतिकशास्त्राचे प्राध्यापक आणि २००१चे नोबेल पारितोषिक विजेते संघाचे नेते वोल्फगँग केटरले यांनी पेपरमध्ये लिहिले आहे की, "अतिप्रलय आणि घन गुणधर्मांचा मेळ घालणारा पदार्थ सामान्य ज्ञानाला विरोध करतो."

पदार्थाच्या या विरोधाभासी स्वरूपाची जाणीव करून देण्यासाठी, केटरलेच्या टीमने अणूंच्या गतीला सुपरसॉलिड अवस्थेतील पदार्थाच्या आणखी एका विलक्षण स्वरूपात हाताळले, ज्याला बोस-आईनस्टाईन कंडेन्सेट (BEC) म्हणतात. केटरले हे BEC च्या शोधकर्त्यांपैकी एक आहेत, ज्याने त्यांना भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळवून दिले.

“आव्हान म्हणजे कंडेन्सेटमध्ये काहीतरी जोडणे ज्यामुळे ते 'अणू सापळ्याच्या बाहेरील स्वरूपात विकसित होईल आणि घनतेची वैशिष्ट्ये आत्मसात करेल,” केटरले स्पष्ट केले.

संशोधक संघाने कंडेन्सेटमधील अणूंच्या हालचाली नियंत्रित करण्यासाठी अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये लेसर बीमचा वापर केला. लेसरचा मूळ संच BEC अणूंचा अर्धा भाग वेगळ्या स्पिन किंवा क्वांटम टप्प्यात रूपांतरित करण्यासाठी वापरला गेला. अशा प्रकारे, दोन प्रकारचे बीईसी तयार केले गेले. अतिरिक्त लेसर किरणांच्या सहाय्याने दोन कंडेन्सेटमधील अणूंचे हस्तांतरण स्पिन बदलांना कारणीभूत ठरले.

"अतिरिक्त लेसरांनी अणूंना स्पिन-ऑर्बिट कपलिंगसाठी अतिरिक्त ऊर्जा बूस्ट प्रदान केली," केटरले म्हणाले. परिणामी पदार्थ, भौतिकशास्त्रज्ञांच्या अंदाजानुसार, "सुपरहार्ड" असावा, कारण स्पिन ऑर्बिटमध्ये संयुग्मित अणूंसह कंडेन्सेट्स उत्स्फूर्त "घनता मॉड्यूलेशन" द्वारे वैशिष्ट्यीकृत केले जातील. दुसऱ्या शब्दांत, पदार्थाची घनता स्थिर राहणे बंद होईल. त्याऐवजी, त्यात क्रिस्टलीय घन सारखा फेज नमुना असेल.

सुपरहार्ड मटेरियलमधील पुढील संशोधनामुळे सुपरफ्लुइड्स आणि सुपरकंडक्टर्सच्या गुणधर्मांची अधिक चांगली समज होऊ शकते, जे कार्यक्षम ऊर्जा हस्तांतरणासाठी महत्त्वपूर्ण असेल. सुपरहार्ड्स हे उत्तम सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेट आणि सेन्सर विकसित करण्याची गुरुकिल्ली देखील असू शकतात.

एकत्रीकरणाची अवस्था नाही तर टप्प्याटप्प्याने

सुपरहार्ड अवस्था हा पदार्थ आहे का? आधुनिक भौतिकशास्त्राने दिलेले उत्तर इतके सोपे नाही. आम्हाला शाळेपासून आठवते की पदार्थाची भौतिक अवस्था हे मुख्य स्वरूप आहे ज्यामध्ये पदार्थ स्थित आहे आणि त्याचे मूलभूत भौतिक गुणधर्म निर्धारित करते. पदार्थाचे गुणधर्म त्याच्या घटक रेणूंच्या मांडणी आणि वर्तनावर अवलंबून असतात. XNUMX व्या शतकातील पदार्थाच्या अवस्थेचा पारंपारिक विभागणी अशा तीन अवस्थांमध्ये फरक करते: घन (घन), द्रव (द्रव) आणि वायू (वायू).

तथापि, सध्या, पदार्थाचा टप्पा ही पदार्थाच्या अस्तित्वाच्या स्वरूपांची अधिक अचूक व्याख्या असल्याचे दिसते. वैयक्तिक अवस्थेतील शरीराचे गुणधर्म ज्या रेणूंच्या (किंवा अणूंच्या) व्यवस्थेवर अवलंबून असतात ज्यातून ही शरीरे बनलेली असतात. या दृष्टिकोनातून, एकत्रीकरणाच्या अवस्थेतील जुनी विभागणी केवळ काही पदार्थांसाठीच खरी आहे, कारण वैज्ञानिक संशोधनात असे दिसून आले आहे की ज्याला पूर्वी एकत्रीकरणाची एकच अवस्था मानली जात होती ती वस्तुस्थिती भिन्न स्वरूपाच्या पदार्थाच्या अनेक टप्प्यांमध्ये विभागली जाऊ शकते. कण कॉन्फिगरेशन. अशीही परिस्थिती असते जेव्हा एकाच शरीरातील रेणू एकाच वेळी वेगळ्या पद्धतीने मांडले जाऊ शकतात.

शिवाय, असे दिसून आले की घन आणि द्रव अवस्था विविध प्रकारे साकारल्या जाऊ शकतात. सिस्टीममधील पदार्थाच्या टप्प्यांची संख्या आणि प्रखर चलांची संख्या (उदाहरणार्थ, दाब, तापमान) जी सिस्टीममध्ये गुणात्मक बदल न करता बदलता येऊ शकते याचे वर्णन गिब्स फेज तत्त्वानुसार केले जाते.

पदार्थाच्या टप्प्यातील बदलासाठी ऊर्जेचा पुरवठा किंवा पावती आवश्यक असू शकते - नंतर बाहेर वाहणाऱ्या ऊर्जेचे प्रमाण फेज बदलणाऱ्या पदार्थाच्या वस्तुमानाच्या प्रमाणात असेल. तथापि, काही फेज संक्रमण ऊर्जा इनपुट किंवा आउटपुटशिवाय होतात. या शरीराचे वर्णन करणार्‍या काही प्रमाणात चरण बदलाच्या आधारे आम्ही फेज बदलाविषयी निष्कर्ष काढतो.

आजपर्यंत प्रकाशित झालेल्या सर्वात विस्तृत वर्गीकरणात, एकूण पाचशे राज्ये आहेत. अनेक पदार्थ, विशेषत: जे वेगवेगळ्या रासायनिक संयुगांचे मिश्रण असतात, ते एकाच वेळी दोन किंवा अधिक टप्प्यांमध्ये अस्तित्वात असू शकतात.

आधुनिक भौतिकशास्त्र सामान्यत: दोन टप्पे स्वीकारते - द्रव आणि घन, वायूचा टप्पा हा द्रव अवस्थेतील एक आहे. नंतरचे विविध प्रकारचे प्लाझ्मा, आधीच नमूद केलेला सुपरकरंट टप्पा आणि पदार्थाच्या इतर अनेक अवस्थांचा समावेश आहे. घन टप्पे विविध स्फटिकासारखे फॉर्म, तसेच एक आकारहीन फॉर्म द्वारे दर्शविले जातात.

टोपोलॉजिकल झाविया

अलिकडच्या वर्षांत नवीन "एकूण राज्ये" किंवा सामग्रीच्या कठीण-टू-परिभाषित टप्प्यांचे अहवाल हे वैज्ञानिक बातम्यांचे निरंतर भांडार आहेत. त्याच वेळी, एका श्रेणीसाठी नवीन शोध नियुक्त करणे नेहमीच सोपे नसते. आधी वर्णन केलेला सुपरसोलिड पदार्थ हा कदाचित एक घन टप्पा आहे, परंतु कदाचित भौतिकशास्त्रज्ञांचे मत वेगळे आहे. काही वर्षांपूर्वी विद्यापीठाच्या प्रयोगशाळेत

कोलोरॅडोमध्ये, उदाहरणार्थ, गॅलियम आर्सेनाइडच्या कणांपासून एक थेंब तयार केला गेला - काहीतरी द्रव, काहीतरी घन. 2015 मध्ये, जपानमधील तोहोकू विद्यापीठातील रसायनशास्त्रज्ञ कॉस्मास प्रसिड्स यांच्या नेतृत्वाखालील शास्त्रज्ञांच्या आंतरराष्ट्रीय पथकाने इन्सुलेटर, सुपरकंडक्टर, धातू आणि चुंबकाच्या गुणधर्मांना एकत्रित करून पदार्थाच्या नवीन अवस्थेचा शोध जाहीर केला, ज्याला जॉन-टेलर धातू म्हणतात.

अटिपिकल "हायब्रीड" एकूण अवस्था देखील आहेत. उदाहरणार्थ, काचेची स्फटिकासारखे रचना नसते आणि म्हणूनच कधीकधी "सुपर कूल्ड" द्रव म्हणून वर्गीकृत केले जाते. पुढे - काही डिस्प्लेमध्ये लिक्विड क्रिस्टल्स वापरले जातात; पोटीन - सिलिकॉन पॉलिमर, प्लास्टिक, लवचिक किंवा अगदी ठिसूळ, विकृतीच्या दरावर अवलंबून; अति-चिकट, स्व-वाहणारा द्रव (एकदा सुरू झाल्यावर, वरच्या काचेच्या द्रवाचा पुरवठा संपेपर्यंत ओव्हरफ्लो चालू राहील); निटिनॉल, निकेल-टायटॅनियम आकाराचा मेमरी मिश्रधातू, वाकल्यावर उबदार हवेत किंवा द्रव मध्ये सरळ होईल.

वर्गीकरण अधिकाधिक गुंतागुंतीचे होत जाते. आधुनिक तंत्रज्ञान पदार्थाच्या अवस्थांमधील सीमा पुसून टाकते. नवनवीन शोध लावले जात आहेत. 2016 चे नोबेल पारितोषिक विजेते - डेव्हिड जे. थौलेस, एफ. डंकन, एम. हॅल्डेन आणि जे. मायकेल कोस्टरलिट्झ - दोन जग जोडले: पदार्थ, जो भौतिकशास्त्राचा विषय आहे आणि टोपोलॉजी, जी गणिताची एक शाखा आहे. त्यांच्या लक्षात आले की अपारंपारिक टप्प्यातील संक्रमणे टोपोलॉजिकल दोषांशी संबंधित आहेत आणि पदार्थाच्या अपारंपरिक टप्पे आहेत - टोपोलॉजिकल फेज. यामुळे प्रायोगिक आणि सैद्धांतिक कार्याचा हिमस्खलन झाला. हे हिमस्खलन अजूनही अतिशय वेगाने वाहत आहे.

काही लोक पुन्हा XNUMXD सामग्रीकडे पदार्थाची नवीन, अद्वितीय स्थिती म्हणून पाहत आहेत. आम्ही या प्रकारचे नॅनोनेटवर्क - फॉस्फेट, स्टेनिन, बोरोफिन किंवा शेवटी, लोकप्रिय ग्राफीन - बर्याच वर्षांपासून ओळखतो. उपरोक्त नोबेल पारितोषिक विजेते विशेषत: या सिंगल-लेयर सामग्रीच्या टोपोलॉजिकल विश्लेषणामध्ये गुंतलेले आहेत.

पदार्थाच्या अवस्था आणि पदार्थाच्या टप्प्यांचे जुने-पद्धतीचे विज्ञान खूप पुढे गेलेले दिसते. भौतिकशास्त्राच्या धड्यांमधून आपण अजूनही लक्षात ठेवू शकतो त्यापलीकडे.