Confermato nuovo stato della materia: solido e liquido insieme

Solido, liquido, gassoso… e qualcos’altro? Mentre alla scuola elementare ci insegnano che esistono solo tre stati della materia, i fisici hanno scoperto diverse varietà esotiche che possono esistere in condizioni estreme di temperatura e pressione.

Un gruppo di ricerca ha utilizzato un particolare tipo di intelligenza artificiale per confermare l’esistenza di un nuovo bizzarro stato della materia, in cui gli atomi di potassio mostrano le proprietà di un solido e, allo stesso tempo, di un liquido. Se si potesse in qualche modo estrarre un pezzo di tale materiale, probabilmente sembrerebbe un blocco solido che perde potassio fuso e che infine si dissolve completamente.

“Sarebbe come una spugna piena d’acqua che inizia a sgocciolare, ma anche la spugna è fatta d’acqua”, dice il coautore dello studio , un fisico della materia condensata all’Università di Edimburgo il cui team .

L’insolito stato del potassio potrebbe esistere in condizioni che

si verificano nel mantello terrestre, ma l’elemento generalmente non si trova in una forma pura e di solito è legato ad altri materiali. Analoghe simulazioni potrebbero aiutare a studiare i comportamenti di altri minerali in ambienti così estremi.

I metalli come il potassio sono piuttosto semplici a livello microscopico. Quando hanno la forma di una barra, gli atomi dell’elemento si collegano in file ordinate che conducono bene il calore e l’elettricità. Per molto tempo, i ricercatori hanno pensato di poter prevedere facilmente cosa potrebbe accadere a tali strutture cristalline sotto pressione.

Però, circa 15 anni fa, gli scienziati hanno rilevato che il sodio – un metallo con proprietà simili al potassio – si comporta in maniera strana quando viene sottoposto a compressione. Con una pressione pari a 20.000 volte quella esistente sulla superficie terrestre, il sodio subisce una trasformazione da blocco argentato in un materiale trasparente, che impedisce il flusso di elettricità e non conduce. Analizzando il sodio con i raggi X, gli scienziati hanno potuto vedere che i suoi atomi adottano una conformazione cristallina complessa invece di una semplice.

Anche il potassio è stato sottoposto a molti controlli sperimentali. Quando vengono compressi a valori estremi simili, i suoi atomi si dispongono in una formazione complicata: cinque tubi cilindrici sono posizionati in forma di X, con quattro lunghe catene situate agli angoli del gruppo, quasi come due materiali separati e non intrecciati. “In qualche modo questi atomi di potassio decidono di dividersi in due sotto-reticoli collegati liberamente”, afferma Hermann. Ma quando gli scienziati hanno aumentato la temperatura, si è visto ai raggi X che le quattro catene scompaiono e, a questo punto, i ricercatori si sono chiesti cosa stesse accadendo esattamente.

Hermann ed i suoi colleghi hanno effettuato delle simulazioni con una cosiddetta rete neurale, una macchina dotata di intelligenza artificiale che impara a prevedere il comportamento sulla base degli esempi precedenti. Dopo essere stata addestrata su piccoli gruppi di atomi di potassio, la rete neurale ha appreso abbastanza bene la meccanica quantistica da simulare un gruppo contenente decine di migliaia di atomi.

I modelli computerizzati hanno confermato che con una pressione compresa tra circa 20.000 e 40.000 volte quella atmosferica e una temperatura tra 400 e 800 gradi Kelvin (tra 126,85 e 526,85 gradi centigradi), il potassio entra in una stato chiamato a fusione di catena, in cui le catene si sciolgono nello stato liquido mentre gli altri cristalli di potassio restano allo stato solido.

Questa è la prima volta che gli scienziati hanno dimostrato che un tale stato è termodinamicamente stabile per qualsiasi elemento.

La tecnica di apprendimento automatico sviluppata dal team potrebbe essere utile per decrivere il comportamento di altre sostanze, afferma , che studia i materiali in condizioni estreme presso il Lawrence Livermore National Laboratory.

“La maggior parte della materia nell’universo è ad alta pressione e temperatura, come avviene per esempio all’interno dei pianeti e delle stelle”, aggiunge.

STATI ESOTICI
Adesso che si è confermato lo stato a fusione di catena del potassio, esso si aggiunge alla serie già nota degli altri stati insoliti della materia oltre a quello gassoso, liquido e solido.

Plasma: è una forma di gas surriscaldato in cui i nuclei atomici sono separati dai loro elettroni, il che significa che possono generare campi elettrici e magnetici e possono esserne influenzati.

Condensato di Bose-Einstein: si forma solo a temperature prossime allo zero assoluto, tutti gli atomi in questo stato cominciano a comportarsi come una singola particella.

Superconduttore: è uno stato raggiunto quando alcuni metalli vengono raffreddati a basse temperature e l’elettricità può scorrere liberamente senza resistenza.

Superfluido: è un liquido raffreddato quasi allo zero assoluto. Esso può scorrere senza attrito, risalendo anche i lati di un contenitore e gocciolando all’esterno verso il basso.

Materia degenere: si trova solo sotto le pressioni estremamente elevate raggiunte nelle nane bianche e nelle stelle di neutroni, due tipi di stelle morte.

Plasma di Quark e gluoni: è uno stato in cui i protoni e i neutroni si scompongono nei loro quark costituenti e questi possono muoversi liberamente tra i gluoni, portatori della forza forte.


Fonte: http://www.nationalgeographic.it/

Potrebbero interessarti

Lascia una risposta