Αποκάλυψη – βόμβα ανατρέπει την Φυσική – Επιστήμονες ανακάλυψαν υλικό που… δεν έπρεπε να υπάρχει

Υλικό – φάντασμα από άλλο… σύμπαν απειλεί να ανατρέψει ό,τι ξέραμε ως σήμερα για την φυσική

Μια ανακάλυψη-βόμβα στον επιστημονικό κόσμο απειλεί να ανατρέψει όσα ξέραμε για την ύλη.

Πρόσφατα, ερευνητές σε ένα από τα κορυφαία πανεπιστήμια των Ηνωμένων Πολιτειών εντόπισαν μια εντελώς νέα κατάσταση της ύλης – ένα φαινόμενο που δεν θα έπρεπε καν να υπάρχει, σύμφωνα με τους μέχρι σήμερα φυσικούς νόμους.

Το υλικό αυτό παρουσιάζει

χαρακτηριστικά τόσο των κρυστάλλων όσο και του γυαλιού, όμως διαθέτει μοναδική σταθερότητα.

Το εύρημα σχετίζεται με τις λεγόμενες quasicrystals – μυστηριώδεις δομές που για δεκαετίες θεωρούνταν αδύνατες.

Οι quasicrystals είναι μια ιδιαίτερη κατηγορία στερεών σωμάτων, όπου τα άτομα τοποθετούνται σε κανονικό πλέγμα, χωρίς όμως να δημιουργούν επαναλαμβανόμενα μοτίβα, όπως συμβαίνει στα κοινά κρυσταλλικά υλικά.

Για τη μελέτη αυτών των ασυνήθιστων δομών, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα μεθοδολογία βασισμένη στην κβαντομηχανική προσομοίωση, η οποία αποκάλυψε πως, παρά την εξωτερική τους ομοιότητα με το χαοτικό γυαλί, οι quasicrystals είναι εγγενώς σταθερές στη φύση.

Ένας από τους βασικούς ερευνητές τόνισε ότι για να σχεδιαστούν υλικά με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, είναι κρίσιμο να κατανοηθεί πώς ακριβώς πρέπει να διατάσσονται τα άτομα στον χώρο. Όπως δήλωσε, οι quasicrystals ανάγκασαν τους επιστήμονες να επανεξετάσουν θεμελιώδεις αντιλήψεις για το πώς και γιατί σχηματίζονται ορισμένες ουσίες.

Μέχρι πρόσφατα, η ίδια η ύπαρξή τους ήταν επιστημονικό αίνιγμα.

Η ιστορία των quasicrystals ξεκινά το 1984, όταν ο Ισραηλινός ερευνητής Daniel Shechtman ανακάλυψε ότι τα κράματα αλουμινίου και μαγγανίου μπορούν να σχηματίσουν πενταπλή συμμετρία, με ατομικές δομές που μοιάζουν με δεκάδες συνδεδεμένα εικοσάεδρα.

Μια συμμετρία που, τότε, θεωρούνταν αδύνατη στη φυσική των κρυστάλλων.

Η επιστημονική κοινότητα αντέδρασε με σφοδρότητα· όμως ο Shechtman δικαιώθηκε.

Οι quasicrystals αναπαράχθηκαν σε εργαστήρια και εντοπίστηκαν ακόμη και σε μετεωρίτες ηλικίας δισεκατομμυρίων ετών.

Το 2011, ο Shechtman τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας – όμως τα μυστήρια γύρω από τη φύση αυτών των υλικών παρέμειναν άλυτα.

Ένα από τα βασικά εμπόδια στην κατανόηση των quasicrystals ήταν ότι τα παραδοσιακά κβαντομηχανικά μοντέλα σταθερότητας απαιτούν επαναλαμβανόμενες ατομικές δομές, κάτι που δεν υφίσταται στους quasicrystals.

Νέοι ερευνητές του προγράμματος δήλωσαν ότι για να κατανοήσεις την ουσία ενός υλικού, πρέπει πρώτα να εξηγήσεις τι του δίνει σταθερότητα — κι αυτό, στην περίπτωση των quasicrystals, ήταν σχεδόν αδύνατο.

Στα περισσότερα υλικά, τα άτομα τοποθετούνται έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η ενέργεια των χημικών δεσμών – αυτό τα καθιστά «ενθαλπικά σταθερά».

Ωστόσο, σε άλλα υλικά, η σταθερότητα προέρχεται από την υψηλή εντροπία — δηλαδή την πληθώρα πιθανών θέσεων ή ταλαντώσεων των ατόμων.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιου υλικού είναι το γυαλί, το οποίο σχηματίζεται όταν το υγροποιημένο πυρίτιο ψύχεται γρήγορα, παγιδεύοντας τα άτομα σε χαοτική κατάσταση.

Αν όμως η ψύξη γίνει αργά ή προστεθούν ορισμένες ουσίες, τότε τα άτομα διατάσσονται σε κανονικούς κρυστάλλους χαλαζία με ελάχιστη ενέργεια.

Οι quasicrystals βρίσκονται σε ένα ενδιάμεσο επίπεδο: τοπικά τα άτομα είναι οργανωμένα, όπως στους κρυστάλλους, αλλά δεν υπάρχει γενική επανάληψη — όπως στο γυαλί.

Για να ανακαλύψουν ποιος παράγοντας προσδίδει σταθερότητα στους quasicrystals – η ενθαλπία ή η εντροπία – οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν καινοτόμο υπολογιστικό μηχανισμό.

Απομόνωσαν μικροσκοπικά νανοσωματίδια από προσομοιωμένο quasicrystal και υπολόγισαν τη συνολική τους ενέργεια.

Επειδή τα νανοσωματίδια έχουν σαφή όρια, οι υπολογισμοί δεν απαιτούσαν άπειρη επανάληψη ατόμων.

Αναλύοντας τα ενεργειακά δεδομένα από νανοσωματίδια διαφόρων μεγεθών, οι επιστήμονες εξέτασαν την ενεργειακή συμπεριφορά ολόκληρων quasicrystalline μαζών.

Το αποτέλεσμα;

Τα γνωστά κράματα Scandium-Scandium και Citreium-Cadmium διαπιστώθηκε ότι σταθεροποιούνται ακριβώς λόγω ενθαλπίας.

Ωστόσο, οι υπολογισμοί για μεγαλύτερα νανοσωματίδια αποδείχθηκαν υπολογιστικός εφιάλτης, καθώς κάθε πρόσθετο άτομο εκτόξευε τον χρόνο επεξεργασίας.

Ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης αποκάλυψε ότι οι κλασικοί αλγόριθμοι απαιτούσαν αλληλεπίδραση όλων των επεξεργαστών, προκαλώντας τεράστια καθυστέρηση.

Παρόλα αυτά, η ομάδα ανέπτυξε έναν νέο αλγόριθμο 100 φορές ταχύτερο, αξιοποιώντας μόνο γειτονικούς επεξεργαστές και τα γραφικά υποσυστήματα υπερυπολογιστών.

Αυτό το τεχνολογικό άλμα ανοίγει τον δρόμο όχι μόνο για τη μοντελοποίηση quasicrystals, αλλά και για άλλα περίπλοκα υλικά, όπως το γυαλί, καθώς και για κρυσταλλικά ελαττώματα, που ενδέχεται να αποτελέσουν τη βάση για τις τεχνολογίες κβαντικής υπολογιστικής.

 

Ύλη από άλλο σύμπαν ή μήπως η αυγή μιας νέας φυσικής;

Το «απαγορευμένο» υλικό είναι εδώ — και απειλεί να ξαναγράψει τους νόμους της επιστήμης.

www.bankingnews.gr

Από το romioitispolis