10 ongebruikelijke staten van belang

De meeste mensen kunnen de drie klassieke materietoestanden van vloeibaar, vast en gas gemakkelijk noemen. Degenen die een paar meer wetenschappelijke cursussen hebben gevolgd, zullen plasma aan die lijst toevoegen. Maar in de loop der jaren hebben wetenschappers onze lijst met mogelijke toestanden van materie ver voorbij de grote vier uitgebreid. In dit proces hebben we veel geleerd over de oerknal, lichtzwaarden en een geheime staat van materie die zich verschuilt in de eenvoudige kip.

10 gigantische vaste stoffen

Amorfe vaste stoffen zijn een intrigerende subgroep van de bekende vaste stof. In een normaal stevig object zijn de moleculen goed georganiseerd en kunnen ze niet vrij bewegen. Dit geeft vaste stof hoge viscositeit, wat een maat is voor weerstand tegen stroming. Vloeistoffen hebben daarentegen een ongeordende moleculaire structuur, waardoor ze langs elkaar heen kunnen stromen, rond kunnen spetteren en de vorm aannemen van de container waarin ze worden gehouden. Een amorfe vaste stof bestaat halverwege deze twee toestanden van materie. In een proces dat bekend staat als verglazing, koelt een vloeistof af en de viscositeit ervan neemt toe tot het punt dat het niet langer vloeit als een vloeistof, maar de moleculen blijven verstoord en vormen geen gekristalliseerde structuur zoals een normale vaste stof.

Het meest gebruikelijke voorbeeld van een amorfe vaste stof is glas. Duizenden jaren lang hebben mensen glas gemaakt met silica. Wanneer glasmakers het silicium uit de vloeibare toestand afkoelen, stolt het feitelijk niet wanneer het onder het smeltpunt komt. Naarmate de temperatuur verder afneemt, neemt de viscositeit toe, waardoor deze solide lijkt. De moleculen behouden echter nog steeds hun ongeorganiseerde structuur. Op dit punt wordt glas een amorfe vaste stof. Dit overgangsproces heeft ambachtslieden toegestaan ​​om prachtige en surrealistische glassculpturen te maken.

Dus wat is het functionele verschil tussen een amorfe vaste stof en een normale vaste stof? In het dagelijks leven niet veel. Glas lijkt volledig solide totdat je het op moleculair niveau bekijkt. En laat je niet misleiden door de mythe dat glas als vloeistof gedurende lange perioden stroomt. Luie gidsen houden ervan deze mythe te bestendigen door oud glas in kerken te laten zien, dat vaak dikker naar de bodem lijkt, maar dat komt eigenlijk door imperfecties in het glasfabricageproces, resulterend in ongelijk glas, dat van nature in het venster met de dikkere kant werd geplaatst op de bodem. Hoewel het misschien niet erg opwindend is om naar te kijken, heeft het bestuderen van amorfe vaste stoffen zoals glas onderzoekers nieuwe inzichten gegeven in faseovergangen en moleculaire structuur.

9 Superkritische vloeistoffen

De meeste faseovergangen vinden plaats onder bepaalde temperatuur- en drukparameters. Iedereen weet dat een temperatuurstijging uiteindelijk een vloeistof in een gas verandert. Wanneer echter de druk wordt verhoogd samen met de temperatuur, maakt de vloeistof in plaats daarvan de sprong in het rijk van superkritische vloeistoffen, die de eigenschappen hebben van zowel een gas als een vloeistof.

Superkritische vloeistoffen zijn bijvoorbeeld in staat om door vaste stoffen te passeren zoals een gas maar kunnen ook werken als een oplosmiddel zoals een vloeistof. Interessant genoeg kan een superkritisch fluïdum worden afgestemd om meer gasachtig of meer vloeibaar te worden, afhankelijk van de combinatie van druk en temperatuur. Dit heeft wetenschappers in staat gesteld om met verschillende toepassingen voor superkritische vloeistoffen te komen, van extreem tot alledaags.

Hoewel superkritische vloeistoffen niet zo gewoon zijn als amorfe vaste stoffen, eindig je waarschijnlijk nog steeds bijna even vaak met hen als je interactie met glas hebt. Superkritisch koolstofdioxide heeft bij brouwerijen de voorkeur gekregen omdat het in staat is om te fungeren als een oplosmiddel bij de extractie van hop, terwijl koffiebedrijven het gebruiken om betere cafeïnevrije koffie te produceren. Superkritische vloeistoffen zijn ook gebruikt om efficiëntere hydrolyse te creëren en om krachtcentrales te laten draaien bij hogere temperaturen. Voor een kwestie van materie waarvan niemand heeft gehoord, gebruikt u waarschijnlijk elke dag bijproducten van superkritische vloeistoffen.

8 Gedegenereerde materie

Hoewel amorfe vaste stoffen zich op zijn minst op planeet Aarde voordoen, bestaat gedegenereerde materie alleen binnen bepaalde soorten sterren. Gedegenereerde materie bestaat wanneer de uiterlijke druk van de materie niet wordt bepaald door temperatuur, zoals op aarde, maar door complexe kwantumprincipes, meestal het Pauli-uitsluitingsprincipe (meer hierover in een moment). Hierdoor zou de uitgaande druk van gedegenereerde materie blijven bestaan, zelfs als de temperatuur van de materie tot het absolute nulpunt daalde. De twee belangrijkste soorten gedegenereerde materie zijn bekend als elektron-gedegenereerde materie en neutronen-gedegenereerde materie.

Elektron-gedegenereerde materie bestaat voornamelijk in witte dwergsterren. De materie vormt zich in de kern van de ster, wanneer het gewicht van de materie rond de kern probeert de elektronen van de kern in de laagste energietoestand te comprimeren. Volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe kunnen echter geen twee van dergelijke deeltjes dezelfde energietoestand bezetten. Dus "duwen" de deeltjes terug op het materiaal rond de kern, waardoor een buitenwaartse druk ontstaat als gevolg van de kwantumwetten die dicteren dat alle elektronen in de kern niet in de laagste energietoestand kunnen bestaan. Dit kan alleen blijven bestaan ​​als de massa van de ster minder is dan 1,44 maal de massa van onze Zon. Wanneer een ster boven deze limiet staat (bekend als de Chandrasekhar-limiet), stort deze eenvoudig in een neutronenster of een zwart gat.

Wanneer een ster instort om een ​​neutronenster te worden, heeft deze niet langer elektron-gedegenereerde materie, maar bestaat deze nu uit neutronen-gedegenereerde materie. Omdat een neutronenster zo zwaar is, zorgt het ervoor dat de elektronen samensmelten met de protonen in de kern, waardoor neutronen worden gecreëerd. Vrije neutronen (neutronen die niet zijn gebonden in een atoomkern) hebben meestal een halfwaardetijd van 10,3 minuten. Maar in de kern van een neutronenster staat de massa van de ster neutronen toe die buiten een kern bestaan, waardoor neutronen-gedegenereerde materie wordt gevormd.

Andere exotische vormen van gedegenereerde materie kunnen bestaan, inclusief vreemde materie, die zou kunnen bestaan ​​in een zeldzame vorm van een ster die een quarkster wordt genoemd. Quark-sterren zijn het toneel tussen een neutronenster en een zwart gat, waar de quarks in de kern ontkoppelen en een soep van vrije quarks creëren. We hebben dit soort sterren nog niet waargenomen, maar natuurkundigen blijven hun bestaan ​​theoretiseren.

7Superfluid

Laten we naar de aarde terugkeren om superfluïd te bespreken. Een superfluïde is een toestand van materie die bestaat wanneer bepaalde isotopen van helium, rubidium en lithium worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Dit is vergelijkbaar met een Bose-Einstein-condensaat (BEC), maar er zijn kleine verschillen. Sommige Bose-Einstein-condensaten zijn bovenfluïda en sommige superfluïden zijn Bose-Einstein-condensaten, maar niet elk van elke klasse past in de andere.

Het meest gebruikelijke superfluïde is vloeibaar helium. Wanneer helium wordt afgekoeld tot het "lambda-punt" van 2,17 graden Kelvin, wordt een deel van de vloeistof een superfluïde. Wanneer de meeste stoffen tot een bepaald punt worden afgekoeld, zal de aantrekking tussen atomen de hittetrillingen in de substantie overwinnen, waardoor de substantie een stevige structuur kan vormen. Maar heliumatomen reageren zo zwak met elkaar dat het een vloeistof kan blijven tot het absolute nulpunt. In feite overlappen de kenmerken van de individuele atomen bij die temperatuur, waardoor de vreemde eigenschappen van superfluïden ontstaan.

Om te beginnen heeft een superfluïde geen interne viscositeit. Superfluids die in een reageerbuis worden geplaatst, zullen langs de zijkanten van de buis omhoog kruipen, schijnbaar in strijd met de wetten van zwaartekracht en oppervlaktespanning. Vloeibaar helium lekt heel gemakkelijk omdat het door een microscopisch gat kan lekken. Supervloeistoffen vertonen ook vreemde thermodynamische eigenschappen. Ze hebben nul thermodynamische entropie en zijn oneindig thermisch geleidend. Dit betekent dat twee supervloeistoffen geen thermisch verschil kunnen hebben. Als warmte wordt ingebracht in een superfluïde, zal het zo snel geleiden dat er thermische golven worden gecreëerd, een eigenschap die niet bestaat voor normale vloeistoffen.

6Bose-Einstein-condensaat

Condensaten van Bose-Einstein zijn waarschijnlijk een van de meest bekende obscure vormen van materie, maar ook een van de moeilijkst te begrijpen. Eerst moeten we begrijpen wat bosons en fermionen zijn. Een fermion is een deeltje met een spin met een half geheel getal (zoals een elektron) of een samengesteld deeltje (zoals een proton). Deze deeltjes voldoen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe dat elektron-gedegenereerde materie doet werken. Een boson heeft echter een volledige integere spin en meerdere bosonen kunnen dezelfde kwantumtoestand innemen. Bosonen omvatten elk krachtdragend deeltje (zoals fotonen) evenals enkele atomen, inclusief onze vriend helium-4 en andere gassen. Elementen in deze categorie staan ​​bekend als bosonische atomen.

In de jaren 1920 gebruikte Albert Einstein het werk van de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose om een ​​nieuwe vorm van materie voor te stellen. De oorspronkelijke theorie van Einstein was dat, als je bepaalde elementaire gassen tot een fractie van een Kelvin boven het absolute nulpunt hebt afgekoeld, hun golffuncties samensmelten tot één 'superatom'. Een dergelijke stof zou quantumeffecten op macroscopisch niveau vertonen. Maar het was pas in de jaren 1990 dat de technologie bestond om voldoende elementen af ​​te koelen tot de benodigde temperatuur. In 1995 konden onderzoekers Eric Cornell en Carl Wieman 2000 atomen samenvoegen tot een Bose-Einstein-condensaat, dat groot genoeg was om in een microscoop te worden bekeken.

Condensaten van Bose-Einstein zijn nauw verwant aan supervloeistoffen, maar hebben hun eigen unieke set eigenschappen. Het meest schokkende is dat een BEC het licht van zijn normale snelheid van 300.000 meter per seconde kan vertragen. In 1998 kon Harene-onderzoeker Lene Hau het licht tot slechts 60 kilometer per uur (37 mph) vertragen door met een laser door een sigaarvormig monster van BEC te schieten. In latere experimenten was Hau's team in staat om het licht volledig in een BEC te stoppen door de laser uit te zetten tijdens het passeren van het monster. Deze experimenten hebben hele nieuwe gebieden van op licht gebaseerde communicatie en quantum computing geopend.

5Jahn-Teller-metalen

Jahn-Teller Metals zijn het nieuwste kind in het blok met materiestaten, onderzoekers hebben ze pas in 2015 voor het eerst met succes gecreëerd. Als dit door andere laboratoria wordt bevestigd, kan het experiment de wereld zoals we die kennen veranderen, omdat Jahn-Teller-metalen hebben eigenschappen van zowel een isolator als een supergeleider.

Onderzoekers onder leiding van chemicus Kosmas Prassides experimenteerden met het nemen van koolstof-60-moleculen (ook bekend als buckyballs) en het inbrengen van rubidium in de structuur, waardoor de koolstof-60-moleculen een nieuwe vorm kregen. Het metaal is genoemd naar het Jahn-Teller-effect, dat beschrijft hoe druk de geometrische vorm van moleculen kan veranderen in nieuwe elektronenconfiguraties. In de chemie wordt druk niet alleen bereikt door iets samen te persen, maar kan dit ook worden bereikt door nieuwe atomen of moleculen aan een reeds bestaande structuur toe te voegen, waardoor de fundamentele eigenschappen ervan veranderen.

Toen het onderzoeksteam van Prassides rubidium in de koolstof-60-moleculen begon in te brengen, veranderden de koolstofmoleculen van een isolator in een supergeleider. Vanwege het Jahn-Teller-effect probeerden de moleculen echter in hun oude configuratie te blijven, wat een stof creëerde die een isolator lijkt te zijn maar de elektrische eigenschappen van een supergeleider heeft. De overgang tussen een isolator en een supergeleider was nog nooit bekeken tot deze experimenten plaatsvonden.

Wat echt opwindend is aan Jahn-Teller-metalen is dat ze een supergeleider worden bij hoge temperaturen (-135 graden Celsius, in tegenstelling tot -243,2 graden Celsius). Dit maakt ze dichter bij beheersbare niveaus voor massaproductie en experimenten.Als de claims correct zijn, zijn we zoveel dichter bij massaproducerende materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand, zonder dat er warmte, geluid of energie vrijkomt, waardoor de energieproductie en het transport revolutionair worden.

4Photonic Materie

Decennia lang was de conventionele wijsheid achter fotonen dat ze massaloze deeltjes waren die geen interactie met elkaar hadden. De voorbije jaren hebben MIT en Harvard-onderzoekers echter nieuwe manieren ontdekt om licht massa te laten lijken - en hebben ze zelfs 'lichte moleculen' gecreëerd die tegen elkaar botsen en zich aan elkaar hechten. Als dat saai klinkt, bedenk dan dat het in wezen de eerste stap is om een ​​lichtzwaard te maken.

De wetenschap achter fotonische materie is een beetje ingewikkeld, maar blijf erbij. (Onthouden, lightsabers.) Onderzoekers begonnen fotonische materie te creëren door experimenten met onderkoeld rubidiumgas. Wanneer een foton door het gas wordt geschoten, buigt het af en reageert het op de rubidiummoleculen, waarbij het energie verliest en vertraagt. Uiteindelijk komt het foton uit de gaswolk aanzienlijk vertraagd maar met zijn identiteit intact.

Het begint raar te worden wanneer je twee fotonen door het gas schiet, wat een fenomeen veroorzaakt dat bekend staat als de Rydberg-blokkade. Wanneer een atoom door een foton wordt geëxciteerd, kunnen de nabijgelegen atomen niet in dezelfde mate worden opgewonden. In wezen staat het aangeslagen atoom de fotonen in de weg. Opdat een omringend atoom door het tweede foton zou worden geëxciteerd, moet het eerste foton voorwaarts door het gas bewegen. Fotonen communiceren meestal niet met elkaar, maar wanneer ze worden geconfronteerd met een Rydberg-blokkade, duwen ze elkaar door het gas, ruilen ze energie in en interacteren ze elkaar onderweg. Vanuit een extern perspectief lijken deze fotonen massa te hebben en als een enkele molecule te werken, ook al zijn ze nog steeds massaloos. Wanneer de fotonen uit het gas komen, lijken ze met elkaar verbonden te zijn, alsof ze zich in een lichtmolecuul bevinden dat kan worden afgebogen en gegoten.

Praktische toepassingen van fotonische materie zijn nog ver verwijderd, maar onderzoeker Mikhail Lukin heeft al een hele lijst van mogelijke toepassingen, variërend van computers tot het volledig uit het licht creëren van 3D kristallen en, ja, het maken van lichtzwaarden.

3D-geordende hyperuniformiteit

Wanneer we proberen te beslissen of een stof een nieuwe staat van materie is, kijken wetenschappers naar de structuur van de stof en de eigenschappen ervan. In 2003 stelden Salvatore Torquato en Frank H. Stillinger van de universiteit van Princeton een nieuwe staat van materie voor, bekend als verstoorde hyperuniformiteit. Hoewel dat misschien een contradictio in terminis leek, was het idee dat het nieuwe type materie wanordelijk zou lijken als ze van dichtbij bekeken worden, maar hyperuniform en gestructureerd over een groot bereik. Zo'n materie zou de eigenschappen hebben van zowel een kristal als een vloeistof. Aanvankelijk leek dit alleen te gebeuren in eenvoudige plasma's en onze vloeibare waterstof, maar recentelijk hebben onderzoekers een natuurlijk voorbeeld gevonden op de meest onwaarschijnlijke plaatsen: een kippenoog.

Kippen hebben vijf kegels in hun ogen. Vier detecteren kleur en één detecteert lichtniveaus. In tegenstelling tot het menselijk oog of de zeshoekige ogen van insecten lijken deze kegels willekeurig te worden verspreid zonder echte orde. Dit gebeurt omdat de kegels in het perspectief van een kip een uitsluitingszone om zich heen hebben waardoor twee kegels van hetzelfde type niet naast elkaar kunnen zitten. Vanwege de uitsluitingszone en de vorm van de kegeltjes kunnen ze geen geordende kristallijnen structuur vormen (zoals die we in vaste stoffen vinden), maar als alle kegels als een geheel worden bekeken, blijkt dat ze in werkelijkheid een zeer geordende patroon, zoals te zien is in deze foto's van Princeton. Zo kunnen we de kegeltjes in het oog van een kip beschrijven als een vloeistof van dichtbij bekeken en een vaste stof als ze van veraf worden bekeken. Dit is anders dan de bovengenoemde amorfe vaste stoffen doordat een hyperuniform materiaal als een vloeistof zal werken, terwijl een amorfe vaste stof dat niet zal doen.

Wetenschappers onderzoeken nog steeds deze nieuwe staat van materie, die misschien wel vaker voorkomt dan aanvankelijk werd gedacht. Op dit moment zijn Princeton-onderzoekers op zoek naar het gebruik van hyperuniforme materialen om zelfarrangerende structuren en lichtdetectoren te maken die zijn afgestemd op zeer specifieke golflengten.

2String-Net Liquid

Welke materie is het vacuüm van de ruimte? De meeste mensen hebben daar niet veel over nagedacht, maar in het afgelopen decennium hebben MIT's Xiao-Gang Wen en Harvard's Michael Levin een nieuwe staat van materie voorgesteld die de sleutel zou kunnen vormen voor het ontdekken van fundamentele deeltjes voorbij het elektron.

Het pad naar de ontwikkeling van het string-net-vloeistofmodel begon halverwege de jaren '90, toen een team wetenschappers 'quasi-deeltjes' introduceerde, wat leek te gebeuren in een experiment waarbij elektronen tussen twee halfgeleiders doorgingen. Dit veroorzaakte nogal wat beroering, omdat de quasi-deeltjes handelden alsof ze een fractionele lading hadden, iets dat de fysica destijds als onmogelijk beschouwde. Het team nam deze gegevens en stelde voor dat het elektron geen fundamenteel deeltje van het universum was en dat er meer fundamentele deeltjes waren die we nog niet hadden ontdekt. Hun werk won hen de Nobelprijs, maar later werd ontdekt dat hun resultaten werden veroorzaakt door een fout in het experiment. Het idee van een "quasi-deeltje" is verdwenen.

Maar sommige onderzoekers gaven het niet helemaal op. Wen en Levin namen het werk over "quasi-deeltjes" en stelden een nieuwe staat van materie voor, bekend als het touwnet. Deze staat van materie zou kwantumverstrengeling als zijn fundamentele eigenschap hebben. Heel erg zoals wanordelijke hyperuniformiteit, als je van dichtbij naar een string-net keek, leek het een ongeordende set van elektronen te hebben.Als je echter naar de hele structuur kijkt, zou je zien dat deze sterk geordend was vanwege de kwantumverstrengelingseigenschappen van elektronen. Wen en Levin breidden hun werk vervolgens uit om andere deeltjes en verstrengelingseigenschappen te omvatten.

Toen computermodellen over de nieuwe staat van materie liepen, ontdekten Wen en Levin dat het einde van een stringnet de verschillende subatomaire deeltjes kon produceren waar we van zijn gaan houden, inclusief het legendarische Äúquasi-deeltje. "Nog schokkender Ze ontdekten dat wanneer de draadnetten trilden, dit gebeurde in overeenstemming met de vergelijkingen van Maxwell, die het licht besturen. In hun papieren stellen Wen en Levin voor dat de ruimte wordt gevuld met touwnetten van verstrengelde subatomaire deeltjes en dat de uiteinden van deze, Ästralen, de subatomaire deeltjes zijn die we zien. Ze hebben ook voorgesteld dat deze string-net-vloeistof licht veroorzaakt dat ontstaat. Als het vacuüm van de ruimte was gevuld met string-net-vloeistof, zou het ons in staat stellen materie en licht te verenigen.

Dit lijkt allemaal erg vergezocht, maar in 1972 ontdekten geologen een vreemd mineraal in Chili dat bekend staat als herbertsmithiet. Binnen het mineraal vormen elektronen driehoekige structuren, wat in tegenspraak lijkt te zijn met wat we weten over hoe elektronen met elkaar interageren. Deze driehoekige structuur wordt echter voorspeld door het string-net-model en onderzoekers hebben met kunstmatige herbertsmithite gewerkt om te proberen het model accuraat te maken. Jammer genoeg is de jury er nog steeds niet over uit of deze theoretische staat van materie echt bestaat.

1Quark-Gluon-plasma

Laten we voor onze laatste obscure staat van materie terugkijken naar de toestand van materie waar we allemaal mee begonnen zijn: quark-gluon-plasma. In feite was het vroege universum een ​​compleet andere materietoestand dan onze klassieke staten. Maar eerst een beetje achtergrond.

Quarks zijn de elementaire deeltjes die we binnen in hadronen vinden (zoals protonen en neutronen). Hadrons zijn ofwel samengesteld uit drie quarks of één quark en één anti-quark. Quarks hebben fractionele ladingen en worden bij elkaar gehouden door gluonen, die het uitwisselingsdeeltje zijn voor de sterke kernkracht.

We zien geen vrije quarks in de natuur, maar vlak na de oerknal bestaan ​​er gratis quarks en gluonen gedurende een milliseconde. Gedurende deze tijd was de temperatuur van het universum zo heet dat de quarks en gluonen nauwelijks met elkaar in wisselwerking waren terwijl ze in de buurt van de snelheid van het licht bewogen. Gedurende deze periode was het universum volledig samengesteld uit dit hete quark-gluon plasma. Na nog een fractie van een seconde zou het universum voldoende zijn afgekoeld om zware deeltjes zoals hadronen te vormen, en quarks begonnen te interageren met gluonen en elkaar. Vanaf dit punt begon het universum zoals we het zich begonnen te vormen, met hadronen die zich bonden met elektronen om primitieve atomen te maken.

In de huidige fase van het universum hebben wetenschappers geprobeerd om quark-gluon-plasma te recreëren in grote deeltjesversnellers. Tijdens deze experimenten worden zware deeltjes zoals hadronen in elkaar gesmeten, waardoor temperaturen worden gecreëerd die quarks gedurende een korte periode kunnen ontkoppelen. Uit deze vroege experimenten hebben we al kennis gemaakt met enkele eigenschappen van quark-gluon-plasma, dat blijkbaar volledig wrijvingsloos was en dichter bij een vloeistof dan ons normale begrip van plasma's. Terwijl onderzoekers blijven experimenteren met deze exotische staat van materie, zullen we meer en meer leren over hoe en waarom ons universum zich heeft gevormd zoals het deed.