क्या हम कभी पदार्थ की सभी अवस्थाओं को जान पाएंगे? तीन के बजाय पांच सौ

पिछले साल, मीडिया ने प्रसारित किया कि "पदार्थ का एक रूप सामने आया है" जिसे सुपरहार्ड कहा जा सकता है या, उदाहरण के लिए, अधिक सुविधाजनक, भले ही कम पोलिश, सुपरहार्ड। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों की प्रयोगशालाओं से आने वाला यह एक प्रकार का विरोधाभास है जो ठोस और सुपरफ्लुइड्स के गुणों को जोड़ता है - यानी। शून्य श्यानता वाले तरल पदार्थ।

भौतिकविदों ने पहले एक सतह पर तैरनेवाला के अस्तित्व की भविष्यवाणी की है, लेकिन अब तक प्रयोगशाला में ऐसा कुछ भी नहीं पाया गया है। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों द्वारा किए गए अध्ययन के नतीजे नेचर जर्नल में प्रकाशित हुए थे।

एमआईटी में भौतिकी के प्रोफेसर और 2001 के नोबेल पुरस्कार विजेता टीम लीडर वोल्फगैंग केटरले ने पेपर में लिखा, "एक पदार्थ जो अत्यधिक तरलता और ठोस गुणों को जोड़ता है, सामान्य ज्ञान की अवहेलना करता है।"

पदार्थ के इस विरोधाभासी रूप को समझने के लिए, केटरले की टीम ने बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) नामक पदार्थ के एक और अजीब रूप में एक सुपरसॉलिड अवस्था में परमाणुओं की गति में हेरफेर किया। केटरले बीईसी के खोजकर्ताओं में से एक हैं, जिसके लिए उन्हें भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला।

केटरले ने बताया, "चुनौती घनीभूत में कुछ जोड़ने की थी जिससे यह 'परमाणु जाल' के बाहर एक रूप में विकसित हो और एक ठोस की विशेषताओं को प्राप्त कर सके।"

शोध दल ने कंडेनसेट में परमाणुओं की गति को नियंत्रित करने के लिए एक अति-उच्च वैक्यूम कक्ष में लेजर बीम का उपयोग किया। लेजर के मूल सेट का उपयोग बीईसी परमाणुओं के आधे हिस्से को एक अलग स्पिन या क्वांटम चरण में बदलने के लिए किया गया था। इस प्रकार, दो प्रकार के बीईसी बनाए गए। अतिरिक्त लेजर बीम की मदद से दो संघनन के बीच परमाणुओं के स्थानांतरण के कारण स्पिन में परिवर्तन हुआ।

केटरले ने कहा, "अतिरिक्त लेज़रों ने परमाणुओं को स्पिन-ऑर्बिट युग्मन के लिए अतिरिक्त ऊर्जा बढ़ावा प्रदान किया।" भौतिकविदों की भविष्यवाणी के अनुसार, परिणामी पदार्थ, "सुपरहार्ड" होना चाहिए था, क्योंकि एक स्पिन कक्षा में संयुग्मित परमाणुओं के साथ संघनन को सहज "घनत्व मॉड्यूलेशन" की विशेषता होगी। दूसरे शब्दों में, पदार्थ का घनत्व स्थिर नहीं रहेगा। इसके बजाय, इसमें क्रिस्टलीय ठोस के समान एक चरण पैटर्न होगा।

सुपरहार्ड सामग्रियों में आगे के शोध से सुपरफ्लुइड्स और सुपरकंडक्टर्स के गुणों की बेहतर समझ हो सकती है, जो कुशल ऊर्जा हस्तांतरण के लिए महत्वपूर्ण होगी। सुपरहार्ड्स बेहतर सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट और सेंसर विकसित करने की कुंजी भी हो सकते हैं।

एकत्रीकरण की अवस्थाएँ नहीं, बल्कि चरण

क्या सुपरहार्ड अवस्था एक पदार्थ है? आधुनिक भौतिकी द्वारा दिया गया उत्तर इतना सरल नहीं है। हमें स्कूल से याद है कि पदार्थ की भौतिक अवस्था वह मुख्य रूप है जिसमें पदार्थ स्थित होता है और उसके मूल भौतिक गुणों को निर्धारित करता है। किसी पदार्थ के गुण उसके घटक अणुओं की व्यवस्था और व्यवहार से निर्धारित होते हैं। XNUMXवीं शताब्दी के पदार्थ की अवस्थाओं का पारंपरिक विभाजन तीन ऐसी अवस्थाओं को अलग करता है: ठोस (ठोस), तरल (तरल) और गैसीय (गैस)।

हालाँकि, वर्तमान में, पदार्थ का चरण, पदार्थ के अस्तित्व के रूपों की अधिक सटीक परिभाषा प्रतीत होता है। अलग-अलग अवस्थाओं में पिंडों के गुण उन अणुओं (या परमाणुओं) की व्यवस्था पर निर्भर करते हैं जिनसे ये पिंड बने हैं। इस दृष्टिकोण से, एकत्रीकरण की अवस्थाओं में पुराना विभाजन केवल कुछ पदार्थों के लिए सही है, क्योंकि वैज्ञानिक अनुसंधान से पता चला है कि जिसे पहले एकत्रीकरण की एकल अवस्था माना जाता था, उसे वास्तव में किसी पदार्थ के कई चरणों में विभाजित किया जा सकता है जो प्रकृति में भिन्न होते हैं। कण विन्यास. ऐसी स्थितियाँ भी होती हैं जब एक ही शरीर में अणु एक ही समय में अलग-अलग तरीके से व्यवस्थित हो सकते हैं।

इसके अलावा, यह पता चला कि ठोस और तरल अवस्था को विभिन्न तरीकों से महसूस किया जा सकता है। सिस्टम में पदार्थ के चरणों की संख्या और गहन चर (उदाहरण के लिए, दबाव, तापमान) की संख्या जिन्हें सिस्टम में गुणात्मक परिवर्तन के बिना बदला जा सकता है, गिब्स चरण सिद्धांत द्वारा वर्णित है।

किसी पदार्थ के चरण में परिवर्तन के लिए ऊर्जा की आपूर्ति या प्राप्ति की आवश्यकता हो सकती है - तब प्रवाहित होने वाली ऊर्जा की मात्रा चरण को बदलने वाले पदार्थ के द्रव्यमान के समानुपाती होगी। हालाँकि, कुछ चरण संक्रमण ऊर्जा इनपुट या आउटपुट के बिना होते हैं। हम इस शरीर का वर्णन करने वाली कुछ मात्राओं में चरण परिवर्तन के आधार पर चरण परिवर्तन के बारे में निष्कर्ष निकालते हैं।

आज तक प्रकाशित सबसे व्यापक वर्गीकरण में, लगभग पाँच सौ समग्र राज्य हैं। कई पदार्थ, विशेष रूप से वे जो विभिन्न रासायनिक यौगिकों का मिश्रण होते हैं, दो या दो से अधिक चरणों में एक साथ मौजूद हो सकते हैं।

आधुनिक भौतिकी आमतौर पर दो चरणों को स्वीकार करती है - तरल और ठोस, गैस चरण तरल चरण के मामलों में से एक है। उत्तरार्द्ध में विभिन्न प्रकार के प्लाज्मा, पहले से ही उल्लेखित सुपरकरंट चरण और पदार्थ की कई अन्य अवस्थाएं शामिल हैं। ठोस चरणों को विभिन्न क्रिस्टलीय रूपों के साथ-साथ एक अनाकार रूप द्वारा दर्शाया जाता है।

टोपोलॉजिकल ज़ाविया

नई "समग्र अवस्थाएँ" या सामग्री के कठिन-से-परिभाषित चरणों की रिपोर्ट हाल के वर्षों में वैज्ञानिक समाचारों का एक निरंतर भंडार रही है। साथ ही, नई खोजों को किसी एक श्रेणी में निर्दिष्ट करना हमेशा आसान नहीं होता है। पहले वर्णित सुपरसॉलिड पदार्थ संभवतः एक ठोस चरण है, लेकिन शायद भौतिकविदों की राय अलग है। कुछ वर्ष पहले एक विश्वविद्यालय प्रयोगशाला में

उदाहरण के लिए, कोलोराडो में, गैलियम आर्सेनाइड के कणों से एक ड्रॉपलेटन बनाया गया - कुछ तरल, कुछ ठोस। 2015 में, जापान के तोहोकू विश्वविद्यालय में रसायनज्ञ कॉसमास प्रासाइड्स के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने पदार्थ की एक नई अवस्था की खोज की घोषणा की, जो एक इन्सुलेटर, सुपरकंडक्टर, धातु और चुंबक के गुणों को जोड़ती है, इसे जाह्न-टेलर धातु कहा जाता है।

एटिपिकल "हाइब्रिड" एग्रीगेट स्टेट्स भी हैं। उदाहरण के लिए, कांच में क्रिस्टलीय संरचना नहीं होती है और इसलिए इसे कभी-कभी "सुपरकूल्ड" तरल के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। आगे - कुछ डिस्प्ले में इस्तेमाल होने वाले लिक्विड क्रिस्टल; पोटीन - विरूपण की दर के आधार पर सिलिकॉन बहुलक, प्लास्टिक, लोचदार या भंगुर; सुपर-चिपचिपा, स्वयं बहने वाला तरल (एक बार शुरू होने पर, ऊपरी गिलास में तरल की आपूर्ति समाप्त होने तक अतिप्रवाह जारी रहेगा); नितिनोल, एक निकेल-टाइटेनियम आकार का मेमोरी एलॉय है, जो मुड़ने पर गर्म हवा या तरल में सीधा हो जाएगा।

वर्गीकरण अधिक से अधिक जटिल होता जा रहा है। आधुनिक प्रौद्योगिकियां पदार्थ की अवस्थाओं के बीच की सीमाओं को मिटा देती हैं। नई खोजें की जा रही हैं। 2016 के नोबेल पुरस्कार विजेता - डेविड जे. थाउलेस, एफ. डंकन, एम. हाल्डेन और जे. माइकल कोस्टरलिट्ज़ - ने दो दुनियाओं को जोड़ा: पदार्थ, जो भौतिकी का विषय है, और टोपोलॉजी, जो गणित की एक शाखा है। उन्होंने महसूस किया कि टोपोलॉजिकल दोषों और पदार्थ के गैर-पारंपरिक चरणों - टोपोलॉजिकल चरणों से जुड़े गैर-पारंपरिक चरण संक्रमण हैं। इससे प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक कार्यों का हिमस्खलन हुआ। यह हिमस्खलन अभी भी बहुत तेज गति से बह रहा है।

कुछ लोग फिर से XNUMXडी सामग्री को पदार्थ की एक नई, अनोखी अवस्था के रूप में देख रहे हैं। हम इस प्रकार के नैनोनेटवर्क - फॉस्फेट, स्टैनिन, बोरोफेन, या, अंततः, लोकप्रिय ग्राफीन - को कई वर्षों से जानते हैं। उपरोक्त नोबेल पुरस्कार विजेता, विशेष रूप से, इन एकल-परत सामग्रियों के टोपोलॉजिकल विश्लेषण में शामिल रहे हैं।

ऐसा प्रतीत होता है कि पदार्थ की अवस्थाओं और चरणों का पुराने जमाने का विज्ञान बहुत आगे बढ़ चुका है। भौतिकी के पाठों से हम अभी भी जो याद कर सकते हैं उससे कहीं अधिक।