Η νέα κατάσταση της ύλης: στερεό & υγρό ταυτόχρονα

Κάποιες ασυνήθιστες καταστάσεις στις οποία απαντάται η ύλη είναι οι παρακάτω.

Το Πλάσμα : Ένα ιονισμένο αέριο σε υψηλή θερμοκρασία που παράγει και επηρεάζεται από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Το Συμπύκνωμα Μπόζε-Αϊνστάιν : Σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 Kelvin) τα άτομα (μποζόνια) βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση του εξωτερικού δυναμικού, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα στο μακροσκοπικό αυτό επίπεδο. 

Ο Υπεραγωγός : Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και ηλεκτρονίων ελαχιστοποιούνται σε κάποια μέταλλα και το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει ανεπηρέαστο και χωρίς καμία δυσκολία.

Το Superfluid (υγρό Ήλιο-3 ή Ήλιο-4) : Ένα υγρό που ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 Kelvin) και παρουσιάζει μηδενική τριβή, εντροπία και ιξώδες, μπορεί ακόμη και να σκαρφαλώσει την μια πλευρά ενός δοχείου και να βγει από την άλλη

Η Εκφυλισμένη ύλη : Εντοπίζεται σε ακραία υψηλές πιέσεις τέτοιες που επικρατούν σε ένα Αστέρα νετρονίων (Neutron star) ή σε ένα Λευκό νάνο (white dwarf), δύο τύποι νεκρών αστέρων.

Το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων (Quark-gluon plasma) : Τα συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων, τα κουάρκ είναι ουσιαστικά ελεύθερα και κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις ανάμεσα στα γκλουόνια που είναι τα σωματίδια - φορείς των δυνάμεων που κρατούν τα κουάρκ δεσμευμένα μέσα στην πυρηνική ύλη.

Το στοιχείο που μπορεί να απαντάται ως στερεό και ως υγρό ταυτόχρονα είναι το Κάλιο, που ανήκει στα μέταλλα. Η απότομη εφαρμογή πολύ υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας το κάνει να είναι στερεό και λιωμένο. Μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα σφουγγάρι που έχει απορροφήσει νερό και αρχίζει να στάζει, μόνο που και το σφουγγάρι είναι από νερό. Τέτοιες ακραίες συνθήκες δεν εντοπίζονται στο περιβάλλον, παρά μόνο στο μανδύα της Γης. Στο σύμπαν όμως αυτές οι συνθήκες είναι συνήθεις.

Σε στερεή κατάσταση σε μια ράβδο Καλίου, τα άτομα συνδέονται σε σειρά και άγουν τη θερμοκρασία και τον ηλεκτρισμό.  Μέχρι πρότινος οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν αρκετά απλή η συμπεριφορά τέτοιων κρυσταλλικών δομών υπό πίεση.

Πριν από 15 χρόνια, βρέθηκε ότι το Νάτριο, ένα μέταλλο με παρόμοιες ιδιότητες με το Κάλιο, υπό πίεση (20.000 φορές περισσότερη από αυτή που υπάρχει στην επιφάνεια της Γης) έκανε κάτι περίεργο. Από ασημένια ράβδο μεταμορφώθηκε σε ένα διάφανο υλικό που δεν ήγαγε τον ηλεκτρισμό και λειτουργούσε σαν μονωτής. Βομβαρδίζοντας το με ακτίνες Χ είδαν ότι τα άτομα συντάχθηκαν σε μια πολύπλοκη κρυσταλλική δομή.

Υποπτεύθηκαν ότι κάτι τέτοιο μπορούσε να συμβεί και στο Κάλιο. Υπό παρόμοιες ακραίες συνθήκες, τα άτομα συντάχθηκαν σε 5 κυλινδρικούς σωλήνες οργανωμένους σε σχήμα Χ, με 4 μεγάλες αλυσίδες ανάμεσά τους. Για κάποιο λόγο τα άτομα Καλίου αποφασίζουν να διχοτομηθούν σε δύο υπο-πλέγματα που συνδέονται χαλαρά μεταξύ τους. Και μάλιστα αυτή η κατάσταση είναι θερμοδυναμικά σταθερή.

Στράφηκαν στις προσομοιώσεις για να καταλάβουν γιατί συνέβη κάτι τέτοιο. Χρησιμοποίησαν τον αλγόριθμο των νευρωνικών δικτύων, έναν τύπο αλγόριθμου τεχνητής νοημοσύνης που εκπαιδεύεται από παραδείγματα, μαθαίνει και μπορεί να προβλέψει τη συμπεριφορά του αντικειμένου που μελετάται.

Ο αλγόριθμος προσομοίωσε τη συμπεριφορά δεκάδων εκατοντάδων ατόμων και έδειξε ότι με ατμοσφαιρική πίεση μεγαλύτερη κατά 20.000 με 40.000 φορές (2 - 4 Gigapascals) και θερμοκρασία 400 με 800 Kelvin (127 - 527 ^οC) άλλαζε κατάσταση και έμπαινε στην στερεο-υγρή ή αλλιώς, όπως το ονόμασε η ερευνητική ομάδα chain-melted phase, κατά την οποία οι αλυσίδες ατόμων διαλύονται και οι κρύσταλλοι παραμένουν σε στερεή κατάσταση.

Ακόμη και στα μέταλλα που έχουν απλή κρυσταλλική δομή συμβαίνουν εντυπωσιακές αλλαγές υπό ακραίες συνθήκες. Το Νάτριο υπό υψηλή πίεση μετατρέπεται σε μονωτή. Το Λίθιο από την άλλη υπό υψηλή πίεση και χαμηλή θερμοκρασία γίνεται υπεραγωγός. Θα έχει ενδιαφέρον ο αλγόριθμος αυτός να εφαρμοστεί για να μελετηθεί και η συμπεριφορά άλλων στοιχείων.

--

Πηγές:

1. Robinson, V. N., Zong, H., Ackland, G. J., Woolman, G., & Hermann, A. (2019). On the chain-melted phase of matter. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201900985.
2. McBride, E. E., Munro, K. A., Stinton, G. W., Husband, R. J., Briggs, R., Liermann, H. P., & McMahon, M. I. (2015). One-dimensional chain melting in incommensurate potassium. Physical Review B, 91(14), 144111.