Στερεό ή Υγρό; Οι φυσικοί επαναπροσδιορίζουν τις καταστάσεις της ύλης

Γιατί μπορείτε να σταθείτε σε έναν παγετώνα αλλά όχι στον ωκεανό;

Η απάντηση φαίνεται αρκετά απλή:Τα υγρά ρέουν. Τα στερεά όχι. Τα άτομα στα υγρά μπορεί να γλιστρήσουν γύρω. Στα στερεά, πέφτουν σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Το ατελείωτα επαναλαμβανόμενο μοτίβο ενός κρυστάλλου είναι τόσο σταθερό που χρειάζεται μια σημαντική έγχυση ενέργειας για να κάνει τα άτομα να σπάσουν. Ή έτσι λένε τα εγχειρίδια φυσικής.

Αλλά αυτή η από καιρό αποδεκτή εξήγηση για την ακαμψία των στερεών αποτυγχάνει να εξηγήσει τους οιονεί κρυστάλλους — περίεργα στερεά που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στο εργαστήριο το 1982 και βρέθηκαν στη φύση το 2009. Τα άτομα στους οιονεί κρυστάλλους είναι διατεταγμένα σε σχέδια που δεν επαναλαμβάνονται ποτέ, αλλά το υλικό είναι παρόλα αυτά άκαμπτο . Το ίδιο και το γυαλί, μια άμορφη μάζα ακίνητων ατόμων που συμπεριφέρεται σαν στερεό αλλά, μετά από προσεκτικότερη εξέταση, μοιάζει περισσότερο με υγρό παγωμένο στο χρόνο.

«Τα γυαλιά υπάρχουν εδώ και χιλιάδες χρόνια», είπε ο Daniel Stein, καθηγητής φυσικής και μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. «Οι χημικοί τους καταλαβαίνουν. Οι μηχανικοί τους καταλαβαίνουν. Από τη σκοπιά της φυσικής, δεν τα καταλαβαίνουμε. Γιατί είναι άκαμπτα;»

Ακόμη και τα κρυσταλλικά στερεά όπως οι παγετώνες αντιστέκονται στην κατηγοριοποίηση, καθώς τα άτομά τους μπορούν να ρέουν, αν και πολύ αργά. Και μερικές φορές φαίνεται να ισχύει και το αντίστροφο:Ο ωκεανός αισθάνεται άκαμπτος αν πηδήξεις πάνω του από έναν αρκετά ψηλό παγετώνα. Ποια είναι, λοιπόν, η διαφορά μεταξύ ενός υγρού και ενός στερεού;

Οι φυσικοί στη Γαλλία και τις Ηνωμένες Πολιτείες προτείνουν νέες απαντήσεις σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα. Όπως περιγράφεται σε ένα άρθρο του Μαρτίου στο Notices of the American Mathematical Society, οι ερευνητές εντόπισαν δύο χαρακτηριστικά υλικών που αλλάζουν δραματικά μορφή στις διασταυρώσεις θερμοκρασίας και πίεσης όπου τα υγρά γίνονται στερεά. Αυτά τα χαρακτηριστικά, λένε οι φυσικοί, θα μπορούσαν να καθορίσουν τη διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων της ύλης.

Ο Τσαρλς Ράντιν, μαθηματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, και ο πρώην μαθητής του, Ντέιβιντ Αριστόφ, τώρα μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, υποστηρίζουν ότι η κύρια διαφορά μεταξύ υγρών και στερεών είναι ο τρόπος με τον οποίο ανταποκρίνονται στη διάτμηση ή στη συστροφή. δυνάμεις. Τα υγρά αντέχουν ελάχιστα στη διάτμηση και μπορούν εύκολα να γλιστρήσουν, ενώ τα στερεά — ανεξάρτητα από το αν είναι κρύσταλλοι, οιονεί κρύσταλλοι ή γυαλί — αντιστέκονται στις προσπάθειες αλλαγής του σχήματός τους.

Η μετάβαση φάσης υγρού-στερεού, ο λόγος Radin και Aristoff, θα πρέπει επομένως να χαρακτηρίζεται από την «διατμητική απόκριση» ενός υλικού που μεταπηδά από το μηδέν σε μια θετική τιμή. Και παρατήρησαν ένα τέτοιο άλμα για ένα υλικό δισδιάστατου μοντέλου, στο οποίο τα άτομα αντιπροσωπεύονται από δίσκους:Σε χαμηλές πυκνότητες που αντιστοιχούν στην υγρή φάση του υλικού, δεν έδειξε απόκριση στη διάτμηση, αλλά όταν οι δίσκοι ήταν πυκνά συσκευασμένοι, όπως ο άτομα σε ένα στερεό, διάτμηση προκάλεσε τη διαστολή του υλικού. «Το crossover όπου δείχνει αυτό το αποτέλεσμα είναι ακριβώς η πυκνότητα όπου το σύστημα γίνεται κρυσταλλικό», είπε ο Radin. "Το προτείνουμε ως έναν διαφορετικό τρόπο κατανόησης του τι είναι στερεό."

Το φαινόμενο διατμητικής απόκρισης συνήθως συγκαλύπτεται από τον τρόπο που οι φυσικοί κάνουν τους υπολογισμούς τους. Για να προσδιορίσουν τα όρια φάσης ενός υλικού (οι καμπύλες στις οποίες μεταβαίνει από στερεό σε υγρό σε αέριο), πρέπει να απλοποιήσουν τις εξισώσεις τους προσποιούμενοι ότι το υλικό είναι τόσο μεγάλο που ουσιαστικά δεν έχει άκρα. Δυστυχώς, αυτή η απλοποίηση αγνοεί το σχήμα του υλικού, καθιστώντας δύσκολο τον προσδιορισμό του εάν το σχήμα θα αλλάξει ως απόκριση στη διάτμηση.

Η καινοτομία των Radin και Aristoff ήταν να υπολογίσουν την απόκριση του δισδιάστατου μοντέλου τους στη διάτμηση πριν αντιμετωπίσουν το υλικό ως χωρίς ακμές. Αυτός ο πολύ πιο δύσκολος, υπολογισμός αντίστροφης σειράς δεν έχει ακόμη επιλυθεί γενικά για όλα τα υλικά, αλλά η προσέγγιση "είναι πολύ ενδιαφέρουσα και θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι πολύ χρήσιμη", είπε ο Stein.

Εν τω μεταξύ, οι φυσικοί στη Γαλλία ακολούθησαν μια διαφορετική, αλλά σχετική, προσέγγιση, με το σκεπτικό ότι η διαφορά μεταξύ στερεών και υγρών είναι ο ρυθμός με τον οποίο ρέουν. Το γυαλί, αν και είναι στερεό, πιστεύεται ότι ρέει πολύ αργά. Και τα μεμονωμένα άτομα σε κρυσταλλικά στερεά, ακόμη και διαμάντια, μπορούν να πηδήξουν ανάμεσα σε ελαττώματα ή κενά σημεία στο πλέγμα.

Οι ερευνητές έκαναν διάκριση μεταξύ των ταχυτήτων ροής στερεών και υγρών συγκρίνοντας τα ιξώδη τους ή τις αποκρίσεις τους σε μια διάτμηση που ποικίλλει με το χρόνο. (Το μέλι, για παράδειγμα, είναι πιο παχύρρευστο υγρό από το νερό.) Για ένα 2-D μοντέλο κρυσταλλικού στερεού, βρήκαν ότι καθώς η διάτμηση γίνεται πολύ μικρή, το ιξώδες του κρυστάλλου γίνεται τεράστιο. Για να δούμε ένα διαμάντι να ρέει κάτω από την έλξη της βαρύτητας της Γης, «θα έπρεπε πιθανώς να περιμένει κανείς περισσότερο από την ηλικία του σύμπαντος», δήλωσε ο Giulio Biroli του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής στο CEA στο Παρίσι.

Αντίθετα, τα συνηθισμένα υγρά παρουσιάζουν χαμηλό ιξώδες ακόμη και όταν η διάτμηση πλησιάζει το μηδέν.

Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι το γυαλί θα πέσει κάπου ανάμεσα σε ένα κρυσταλλικό στερεό και ένα υγρό επιδεικνύοντας ένα μεγάλο αλλά πεπερασμένο ιξώδες κάτω από μικρή διάτμηση. Άλλοι φυσικοί από τότε έχουν δείξει ότι η πρόβλεψη είναι σωστή για ένα μοντέλο γυάλινου συστήματος, αν και δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί πειραματικά.

«Οι τρόποι μας είναι συμπληρωματικοί», είπε ο Biroli, για την αμερικανική και τη γαλλική προσέγγιση. "Αν πάρουμε και τα δύο, νομίζω ότι αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε τη διαφορά μεταξύ ενός στερεού και ενός υγρού."

Ο David Ruelle, Βελγο-Γάλλος μαθηματικός φυσικός και συγγραφέας κλασικών εγχειριδίων για τη στατιστική μηχανική, είπε ότι η αυστηρή κατανόηση των στερεών και των υγρών μπορεί να είναι χρήσιμη για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς νέων υλικών όπως τα μεταλλικά γυαλιά, που έχουν εφαρμογές στην ηλεκτρονική και τη νανολιθογραφία. Αλλά σε έναν κόσμο όπου τα στερεά και τα υγρά βασιλεύουν, «είναι καλό να έχουμε απλώς μια βασική κατανόηση», είπε ο Ruelle. "Δεν θα έλεγα ότι αυτά τα πράγματα θα σας φέρουν ένα εκατομμύριο δολάρια πολύ σύντομα."