Οι καταστάσεις της εξωτικής ύλης πίσω από υπολογιστές, οπτικές οθόνες και το μέλλον του νερού
Μπορεί να έχετε μάθει στο σχολείο ότι υπάρχουν τρεις φάσεις της ύλης:στερεά, υγρή και αέρια. Αυτή είναι μια χρήσιμη απλοποίηση για τους νέους μαθητές, αλλά στην πραγματικότητα υπάρχουν πολλά, πολλά περισσότερα. Τον περασμένο αιώνα περίπου, ανακαλύψαμε ότι υπάρχουν εκατοντάδες διακριτές στερεές φάσεις—μερικές από τις οποίες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των τσιπ πυριτίου που τρέχουν τον υπολογιστή σας. Επιπλέον, υπάρχουν δεκάδες φάσεις υγρών κρυστάλλων—μερικές από τις οποίες δημιουργούν τις εικόνες στην οθόνη του φορητού υπολογιστή σας. Και αυτό πριν καν φτάσουμε στα πραγματικά εξωτικά πράγματα:κβαντικές φάσεις όπως υπερρευστά, πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, συμπυκνώματα Bose-Einstein και τις λεγόμενες «τοπολογικές φάσεις».
Αλλά προτού φτάσουμε σε αυτό, ας κάνουμε ένα βήμα πίσω και ας συζητήσουμε τι εννοούμε με τη λέξη «φάση». Όπως πολλές θεμελιώδεις έννοιες, οι φάσεις εξηγούνται καλύτερα με παράδειγμα. Ας εξετάσουμε ένα ποτήρι νερό με μερικά παγάκια μέσα. Το ποτήρι περιέχει μόνο ένα είδος ουσίας:νερό. Πολλά μόρια του H2 Ο.
Παρόλο που τα μόρια στα παγάκια είναι ακριβώς τα ίδια με αυτά στο περιβάλλον νερό, υπάρχει σαφώς μεγάλη διαφορά μεταξύ πάγου και υγρού νερού. Προφανέστατα, το ένα είναι άκαμπτο, κρατώντας ένα καθορισμένο σχήμα και το άλλο ρέει ελεύθερα, παίρνοντας το σχήμα του δοχείου του. Υπάρχουν επίσης διαφορές στην πυκνότητα, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και μια σειρά από άλλες φυσικές ιδιότητες. Λέμε λοιπόν ότι το υγρό νερό και ο πάγος είναι διαφορετικές φάσεις μιας μόνο ουσίας.
Πώς μπορεί ο πάγος και το νερό να παρουσιάζουν τόσο ριζικά διαφορετική συμπεριφορά; Ίσως μπείτε στον πειρασμό να πείτε ότι η διαφορά είναι η θερμοκρασία:Το νερό είναι ζεστό και ο πάγος είναι κρύος, και κατά κάποιο τρόπο αυτό κάνει τα μόρια του νερού να συμπεριφέρονται διαφορετικά. Αλλά στους 0° C και στην κανονική ατμοσφαιρική πίεση, τόσο ο πάγος όσο και το υγρό νερό είναι σταθερά—δηλαδή, μπορούν να υπάρχουν επ' αόριστον χωρίς να αλλάζουν.
Αν λοιπόν η θερμοκρασία δεν είναι η βασική διαφορά μεταξύ πάγου και υγρού νερού, τότε ποια είναι;
Μεγάλες και μικρές σκέψεις
Οι επιστήμονες εικάζουν εδώ και καιρό μια σύνδεση μεταξύ της ανθρώπινης κλίμακας (ή μακροσκοπικής ) ιδιότητες διαφόρων υλικών και τη μικροσκοπική διάταξη των «κομματιών» από τα οποία κατασκευάζονται αυτά τα υλικά. Μια πρώιμη προσπάθεια έγινε το 1611 από τον Johannes Kepler, με τον απολαυστικό τίτλο «The Six-Cornered-Snowflake:A New Year’s Gift». Ο Κέπλερ υποστήριξε ότι η εξαγωνική συμμετρία των νιφάδων χιονιού θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν ο πάγος ήταν κατασκευασμένος από μικροσκοπικές σφαίρες συσκευασμένες μαζί σε κανονικές εξαγωνικές σειρές.
Γνωρίζουμε τώρα ότι η εικασία του Κέπλερ σχετικά με τη συγκεκριμένη διάταξη των ατόμων ήταν ελαφρώς λανθασμένη - η διάταξη που σχεδίασε δεν εξηγεί σωστά το τρισδιάστατο σχήμα και τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις των μορίων του νερού. (Για να είμαστε δίκαιοι για τον Κέπλερ, η χημεία δεν είχε εφευρεθεί ακόμη και η ύπαρξη ατόμων δεν θα αποδεικνυόταν οριστικά παρά σχεδόν 300 χρόνια αργότερα.) Ωστόσο, ήταν στο σωστό δρόμο. Η εξαπλή συμμετρία των νιφάδων χιονιού προέρχεται πράγματι από το γεγονός ότι τα μόρια του νερού είναι διατεταγμένα σε μια τρισδιάστατη δομή με εξαγωνική συμμετρία.
Στη γλώσσα της σύγχρονης φυσικής, ο Κέπλερ υπέθεσε ότι το χιόνι είναι ένα κρυσταλλικό στερεό — μια φάση της ύλης που αποκτά τις ιδιότητές της επειδή τα άτομα ή τα μόρια είναι συσκευασμένα σε μια κανονική διάταξη που ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα . Οι σύγχρονοι φυσικοί χρησιμοποιούν τη λέξη «κρύσταλλος» για να αναφερθούν στην ίδια τη μικροσκοπική δομή, ανεξάρτητα από το αν ένα υλικό μοιάζει ή όχι στο μάτι σαν διαμάντι ή κόκκος αλατιού ή νιφάδα χιονιού. Έτσι, για έναν φυσικό, πολλά μέταλλα και κεραμικά είναι κρύσταλλοι, επειδή τα άτομα ή τα μόρια είναι διατεταγμένα σε ένα κανονικό πλέγμα - ουσιαστικά, κάποια τρισδιάστατη έκδοση των σχεδίων του Kepler του 1611.
Έτσι εξηγείται ο πάγος στο ποτήρι του νερού. Τι γίνεται όμως με το υγρό νερό; Σε οποιαδήποτε ουσία πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273° C), τα μόρια κινούνται συνεχώς, αναπηδώντας το ένα από το άλλο σαν μπάλες μπιλιάρδου μετά από ένα δυνατό διάλειμμα. Η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι απλώς ένα μέτρο του πόσο γρήγορα κινούνται τα μόρια.
Σε ένα υγρό, αυτό το τυχαίο θερμικό κίνηση είναι αρκετά ισχυρή ώστε να υπερνικήσει τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων που συγκρατούν το πλέγμα στη θέση του. Και χωρίς ένα πλέγμα που τα κλειδώνει στη θέση τους, τα μόρια του νερού μπορούν να κινούνται πολύ πιο ελεύθερα το ένα γύρω από το άλλο. Αυτό εξηγεί γιατί το υγρό νερό υποχωρεί όταν το πιέζετε με το δάχτυλό σας, αλλά ο πάγος όχι. (Περίεργα, υπάρχουν ορισμένες ουσίες, όπως το γυαλί παραθύρου, που έχουν μια εντελώς διαταραγμένη μικροδομή, αλλά εξακολουθούν να συμπεριφέρονται σαν στερεά σε μακροσκοπικό επίπεδο. Η κατανόηση αυτής της συμπεριφοράς μπορεί να είναι το πιο σημαντικό ανοιχτό ερώτημα στη φυσική των υλικών.)
Φανταστικές φάσεις
Στα τρισδιάστατα υλικά - όπως ο πραγματικός πάγος, αντί στο δισδιάστατο σκίτσο του Κέπλερ - τα πράγματα μπορεί να γίνουν πολύπλοκα, επειδή στις τρεις διαστάσεις υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι να τακτοποιήσετε τα μόρια σε μια κανονική διάταξη. Υπάρχουν, για παράδειγμα, 17 γνωστές φάσεις του πάγου, η πιο πρόσφατη από τις οποίες δημιουργήθηκε και μελετήθηκε για πρώτη φορά από Ιταλούς ερευνητές πέρυσι. Οι διαφορετικές φάσεις συμβαίνουν κάτω από διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και, ενώ είναι όλες στερεές, η καθεμία έχει διαφορετική πυκνότητα, σκληρότητα, απόκριση στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, θερμική αγωγιμότητα κ.λπ. Αυτές οι διαφορές στη μακροσκοπική συμπεριφορά είναι ο λόγος που λέμε ότι είναι διαφορετικές φάσεις. Κάτω από «κανονικές» συνθήκες - τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης - ο πάγος έχει συνήθως τη μορφή πάγου Ih («πάγος ένα h»). Αυτή η εξαγωνική μορφή είναι υπεύθυνη για την εξαπλή συμμετρία των νιφάδων χιονιού.
(Η επισήμανση των διάφορων πάγων σημαίνει, παρεμπιπτόντως, ότι υπάρχει πραγματικά ένας πάγος ΙΧ. Ευτυχώς, στις θερμοκρασίες και τις πιέσεις στην επιφάνεια της γης, είναι πολύ πιο εύθραυστος από τους άλλους εννέα πάγους—η σταθερή φάση που καταστροφικά καθιστά τους ωκεανούς συμπαγείς στο βιβλίο Cat του Kurt Vonnegut 's Cradle .)
Και η ιστορία δεν έχει τελειώσει ακόμα, ακόμα και για αυτήν την πιο συνηθισμένη ουσία. Μια σειρά από φάσεις πάγου που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί μπορεί να υπάρχουν στις εξαιρετικά υψηλές πιέσεις στο κέντρο γιγάντιων πλανητών αερίων όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας. Κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες - 10 εκατομμύρια ατμόσφαιρες πίεσης ή περισσότερες - το νερό προβλέπεται να σχηματίσει μερικές πολύ περίεργες κρυσταλλικές στερεές φάσεις. Αυτά περιλαμβάνουν μια αγώγιμη μεταλλική φάση, η οποία θα φαινόταν γυαλιστερή, αν μπορούσατε να καταλάβετε πώς να τη γυαλίσετε.
The In-Betweeners
Η σύνδεση μεταξύ μικροδομής και μακρο-ιδιοτήτων είναι μια κεντρική ιδέα στην επιστήμη και τη μηχανική και χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό πολλών ειδών υλικών. Για παράδειγμα, υγροί κρύσταλλοι είναι τα βασικά στοιχεία στις οθόνες LCD του φορητού υπολογιστή, της τηλεόρασης και του κινητού μας τηλεφώνου ("οθόνη υγρών κρυστάλλων"). Οι υγροί κρύσταλλοι έχουν μόρια με ασυνήθιστα μακρύ σχήμα που μοιάζει με ράβδο. Εξαιτίας αυτού, αυτά τα μόρια μπορούν να σχηματίσουν μια ολόκληρη σειρά φάσεων με ιδιότητες που δεν βλέπουμε σε κανονικά υλικά.
Για παράδειγμα, σε υψηλές θερμοκρασίες, τα μόρια είναι εντελώς διαταραγμένα:Κάθε ράβδος τοποθετείται τυχαία, όπως τα μόρια σε υγρό νερό, και κάθε ράβδος προσανατολίζεται σε τυχαία κατεύθυνση. Αυτό ονομάζεται ισότροπη φάση . Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, τα μόρια μπορούν να μετατοπιστούν στην νηματική φάση, όπου το καθένα τοποθετείται τυχαία, όπως στο υγρό νερό, αλλά τα μόρια γενικά δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει πλέγμα, η νηματική φάση μπορεί να ρέει σαν υγρό, αλλά, επειδή όλες οι ράβδοι είναι ευθυγραμμισμένες, η φάση έχει ένα συγκεκριμένο είδος μικροσκοπικής τάξης. Εξ ου και ο όρος «υγρός κρύσταλλος».
Ευτυχώς για όλους εμάς στη σύγχρονη εποχή, η νηματική φάση έχει ασυνήθιστες ιδιότητες που εξαρτώνται από την κατεύθυνση. Όταν τοποθετούνται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα μόρια σε σχήμα ράβδου τείνουν να ευθυγραμμίζονται με αυτό το πεδίο. Στις οθόνες LCD, τα μόρια στη νηματική φάση συμπεριφέρονται ως πολωτικό φίλτρο :μια συσκευή που επιτρέπει στο εισερχόμενο φως να περάσει όταν τα μόρια είναι προσανατολισμένα προς μία κατεύθυνση (για παράδειγμα, στραμμένα προς τα πάνω-κάτω), αλλά όχι όταν είναι προσανατολισμένα στην κάθετη κατεύθυνση (αριστερά-δεξιά). Σε μια οθόνη LCD, μικροσκοπικά ηλεκτρόδια σε κάθε εικονοστοιχείο δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που ελέγχει τον προσανατολισμό των μορίων μέσα σε αυτό το εικονοστοιχείο, και επομένως αν εκπέμπει φως.
Modeling the Minuscule
Είναι σαφές ότι η μικροδομή βοηθά στην εξήγηση των ιδιοτήτων πολλών υλικών που συναντάμε και δημιουργούμε. Αλλά μπορούμε πραγματικά να δούμε αυτή η μικροσκοπική παραγγελία στην πραγματική ζωή; Για κανονικές ουσίες, όπως ο πάγος, το αλάτι ή το μέταλλο, αυτό είναι δύσκολο, επειδή τα άτομα και τα μόρια είναι τόσο μικροσκοπικά. Ένα μόριο νερού, για παράδειγμα, έχει διάμετρο μικρότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου—πολύ μικρό για να το δει κανείς με κανονικό μικροσκόπιο φωτός και αρκετά μικρό ώστε να είναι δύσκολο να το παρατηρήσει κανείς ακόμη και με τις πιο σύγχρονες τεχνικές μικροσκοπίας.
Ευτυχώς, τα άτομα και τα μόρια δεν είναι τα μόνα πράγματα που αυτοοργανώνονται σε φάσεις. Στο εργαστήριο Chaikin στο Κέντρο Έρευνας μαλακής ύλης του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, χρησιμοποιούμε μικρές, συμπαγείς σφαίρες για να μελετήσουμε τις φάσεις της ύλης. Αυτές οι μικρές σφαίρες ονομάζονται κολλοειδή και μπορούν να κατασκευαστούν από μια μεγάλη γκάμα διαφορετικών υλικών, όπως γυαλί, πλαστικό ή μέταλλο. Τα κολλοειδή που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριό μας είναι περίπου 3.000 φορές μεγαλύτερα από τα μόρια του νερού — συγκρίσιμα σε μέγεθος με ένα βακτήριο ή τον πυρήνα ενός ζωικού κυττάρου. Για τους επιστήμονες υλικών, τα κολλοειδή είναι κάτι σαν «σωματίδιο Goldilocks»—αρκετά μεγάλο για να το δει κανείς με μικροσκόπιο, αλλά αρκετά μικρό για να κάνει φάσεις που είναι από πολλές απόψεις ανάλογες με κανονικά υλικά, όπως ο πάγος ή το νερό.
Στο NYU, κατασκευάζουμε κολλοειδή που έχουν ειδική επίστρωση που τους επιτρέπει να κολλάνε στις επιφάνειες του νερού. Όταν τα σωματίδια μας κολλάνε σε σταγονίδια νερού, μπορούμε να τραβήξουμε όμορφες εικόνες μικροσκοπίου όπως αυτές που φαίνονται παρακάτω. Σε αυτές τις εικόνες, μπορούμε να δούμε τη μικροσκοπική δομή των διαφορετικών φάσεων και πώς αυτή η σειρά οδηγεί σε μακροσκοπικές ιδιότητες όπως η στερεότητα. Για παράδειγμα, αυτή τη στιγμή μελετάμε πώς η συμπεριφορά των σωματιδίων μας αλλάζει όταν κολλάνε σε σφαιρικά σταγονίδια σε αντίθεση με επίπεδες επιφάνειες όπως μια ακίνητη λίμνη. Η ύπαρξη σε μια σφαίρα βοηθά ή εμποδίζει τον σχηματισμό κρυστάλλων και την εμφάνιση συμπεριφοράς που μοιάζει με στερεό; Τελικά, αυτό μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τις ιδιότητες σημαντικών δομών που είναι σφαιρικές ή έχουν ακόμη πιο πολύπλοκα σχήματα. Εάν, για παράδειγμα, γνωρίζαμε περισσότερα για τα πρωτεϊνικά κελύφη που προστατεύουν τα γονίδια του HIV, θα μπορούσαμε να σπάσουμε αυτά τα κελύφη και να καταστήσουμε τον ιό ακίνδυνο.
Όταν οι κρύσταλλοι πάνε άσχημα
Ένα από τα πιο σημαντικά μέρη της εκμάθησης σχετικά με τη μικροσκοπική τάξη είναι να κατανοήσουμε πότε και πώς αποτυγχάνει αυτή η παραγγελία. Για παράδειγμα, αν κοιτάξετε προσεκτικά μια εικόνα κολλοειδών σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, θα παρατηρήσετε ότι η σειρά δεν είναι ομοιόμορφα ακριβής:Μπορούμε να παρατηρήσουμε ατελείς ή διαταραγμένες περιοχές, που ονομάζονται ελαττώματα.
Παρόμοια ελαττώματα συμβαίνουν και σε ατομικούς και μοριακούς κρυστάλλους, και αποδεικνύονται σημαντικά με πολλούς τρόπους. Για παράδειγμα, είναι κρίσιμοι για τον προσδιορισμό της ευθραυστότητας ενός υλικού - πόσο φορτίο μπορεί να αντέξει πριν σπάσει. Επιπλέον, επειδή τα ελαττώματα των κρυστάλλων μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο ένα υλικό άγει ηλεκτρισμό, οι κατασκευαστές ημιαγωγών ξοδεύουν δισεκατομμύρια δολάρια για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου — γιγάντια μπλοκ πυριτίου χωρίς σχεδόν καθόλου ελαττώματα. Από την άλλη πλευρά, μερικές φορές αυτές οι μικροσκοπικές ατέλειες είναι πολύ επιθυμητές. Η πρόσφατη έρευνα επικεντρώθηκε στον τρόπο ελέγχου και χειρισμού ελαττωμάτων στο γραφένιο για να βελτιστοποιηθεί ως φίλτρο για αφαλάτωση του νερού, για παράδειγμα.
Στο NYU, χρησιμοποιούμε κολλοειδείς κρυστάλλους για να δούμε πώς δημιουργούνται ελαττώματα, μετακινούνται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Όπως και με τη συμπεριφορά φάσης, η μελέτη του τι συμβαίνει στους κολλοειδείς κρυστάλλους μας μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τα ελαττώματα και σε άλλα υλικά. Όπως συμβαίνει με πολλά πράγματα στη ζωή, μερικές φορές οι ατέλειες είναι τα πιο ενδιαφέροντα μέρη όλων.
Ο Colm P. Kelleher έλαβε το διδακτορικό του στη Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. Είναι ένας από τους συγγραφείς του Phases of Matter Coloring Book (Green Frog Publishing), το οποίο θα εκδοθεί το 2017.
Υποσημειώσεις
1. Ο όρος "κατάσταση της ύλης" χρησιμοποιείται μερικές φορές εναλλακτικά με τη "φάση της ύλης" και, όπως πολλές θεμελιώδεις έννοιες στην επιστήμη, κανένας όρος δεν έχει έναν μοναδικό, καθολικά αποδεκτό ορισμό.
2. Στην πραγματικότητα, το νερό είναι η μόνη ουσία που συναντάμε τακτικά εμείς οι άνθρωποι σε τρεις διαφορετικές φάσεις. Αυτός είναι μόνο ένας από τους πολλούς λόγους για τους οποίους το νερό είναι ένα πολύ ιδιαίτερο υλικό.
3. Υπάρχουν επίσης τριγωνικοί κρύσταλλοι χιονιού, αλλά κανείς δεν είναι σίγουρος γιατί.
4. Υπάρχουν περίπου 17 φάσεις πάγου. Όπως συμβαίνει με πολλές ερωτήσεις ταξινόμησης, εξαρτάται από το πώς μετράτε.
5. Αυτό ισχύει εάν το εισερχόμενο φως είναι γραμμικά πολωμένο . Σε οθόνη τηλεφώνου ή φορητού υπολογιστή, αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση ενός φίλτρου πόλωσης μεταξύ της πηγής φωτός και της οθόνης.
6. Αυτή η περιγραφή αναφέρεται συγκεκριμένα σε "in-plane switching" LCD's (IPS-LCD's). Σε ένα IPS-LCD, ένα πάνελ φωτισμού πίσω από την οθόνη εκπέμπει λευκό φως ομοιόμορφης φωτεινότητας. Η ίδια η οθόνη αποτελείται από ένα πλέγμα pixel, το καθένα από τα οποία περιέχει τρία υπο-pixel. Τα υπο-εικονοστοιχεία περιέχουν ένα λεπτό στρώμα ράβδων νηματικής φάσης. Μικροσκοπικά ηλεκτρόδια που τοποθετούνται εκατέρωθεν κάθε υπο-εικονοστοιχείου ελέγχουν τον προσανατολισμό των μορίων, και επομένως το εάν το φως θα περάσει ή όχι από αυτό το υπο-εικονοστοιχείο. Τα τρία υπο-εικονοστοιχεία είναι επικαλυμμένα με φίλτρα κόκκινου, μπλε και πράσινου χρώματος, επιτρέποντας έτσι στο εικονοστοιχείο να εκφράσει οποιοδήποτε χρώμα. Άλλα σχέδια περιλαμβάνουν την "twisted nematic" LCD (TN-LCD) η οποία χρησιμοποιεί μια ακόμη πιο εξωτική υγρή κρυσταλλική φάση "twisted nematic" για να επιτύχει ένα παρόμοιο αποτέλεσμα. Ρίξτε μια ματιά στο βίντεο εδώ για μια λεπτομερή εξήγηση του TN-LCD ή ελέγξτε το HowStuffWorks για μια καλή συνολική εξήγηση των οθονών LCD.
7. Αυτές οι φωτογραφίες τραβήχτηκαν με έναν τύπο μικροσκοπίου που ονομάζεται ομοεστιακό μικροσκόπιο. Στη συνεστιακή μικροσκοπία, η φθορίζουσα βαφή ενσωματώνεται στο δείγμα και χρησιμοποιείται λέιζερ για να κάνει τη βαφή να λάμπει. Σε αυτές τις εικόνες, βλέπουμε τη λάμψη που εκπέμπεται από τα ίδια τα κολλοειδή.
ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ: Ο χημικός του UC Berkeley Richard Saykally σχετικά με το γιατί υπάρχουν 17 μορφές πάγου.
