termodynamiikka

Kvanttimekaniikka sanelee aineen uuden olomuodon

Ke, 04/04/2018 - 20:13 Markus Hotakainen

Kvanttimekaanisiin ilmiöihin liitetty topologinen järjestys näyttää olevan sovellettavissa myös klassisiin aineisiin.

"Keinotekoisen spin-jään" tietyissä olomuodoissa aine vaikuttaa olevan epäjärjestyksessä, mutta todellisuudessa se on järjestynyttä, mutta poikkeuksellisella tavalla, "topologisesti".

Vastikään löydetyn aineen olomuodon rakenne määrittyy pikemminkin kvanttimekaniikan kuin perinteisen termodynamiikan lakien mukaan.

"Tutkimuksemme osoittaa ensimmäisen kerran, että klassiset järjestelmät kuten keinotekoinen spin-jää voidaan suunnitella siten, että niissä on topologisesti järjestyneitä olomuotoja, joita on aiemmin löytynyt ainoastaan kvanttiolosuhteissa", toteaa teoriapuolta tutkinutta ryhmää Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa johtanut Christiano Nisoli. Kokeet tehtiin Illinois’n yliopistossa Peter Schifferin johdolla.

Tuoreessa tutkimuksessa tarkasteltiin tietyntyyppisen keinotekoisen spin-jään, Shakti-spin-jään, geometriaa. Yleensä tällaisten aineiden jäljille päästään teoreettisesti, mutta tällä kertaa erikoiset ominaisuudet löydettiin kokeellisesti.

Tutkijoiden selvittäessä Shakti-spin-jään ominaisuuksia PEM-elektronimikroskoopilla (Photoemission Electron Microscopy) he huomasivat, että toisin kuin muut keinotekoiset spin-jäät, jotka asettuivat alimmalle energiatasolleen lämpötilan laskiessa, Shakti-versio pysytteli sitkeästi samalla energiatasolla. Jonkin ominaisuuden täytyi säilyä lämpötilan laskusta huolimatta.

"Systeemi jumittuu siten, ettei se pysty järjestymään uudelleen, vaikka laajamittaisen järjestäytymisen avulla se voisi siirtyä alemmalle energiatasolle", Schiffer selittää.

Kun aineen rakennetta tarkasteltiin spin-ominaisuuksia laajemmassa mittakaavassa ja keskityttiin niistä seuraaviin systeemin viritystiloihin, Nisoli onnistui kuvailemaan alhaisen energiatilan tavalla, jossa käytettiin hyväksi jo aiemmin kehitettyä kvanttimekaanista mallia. Silloin kokeen tuottama tieto varmisti topologisen varauksen säilymisen, mistä oli seurauksena viritystilan pitkä kesto.

"Se on mielestäni hyvin jännittävää, sillä yleensä teoreettisissa tarkasteluissa siirrytään klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan. Topologisen järjestäytymisen kanssa on toisin", Nisoli pohtii.

Uudesta aineen olomuodosta kerrottiin Los Alamosin kansallisen laboratorion uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Nature Physics -tiedejulkaisussa.

Kuva: Los Alamos National Laboratory

Vesi yllättää yhä – se voi olla lasimaisen tahmeaa

Ma, 03/12/2018 - 18:08 Markus Hotakainen

Vaikka kolme neljäsosaa Maasta on veden peitossa, tutkijat löytävät silti uusia ominaisuuksia tuolta elämän kannalta oleelliselta aineelta. Nyt nestemäisen veden on todettu esiintyvän aiemmin tuntemattomassa olomuodossa.

Teoreettisesti on laskettu, että tietyissä oloissa nestemäisen veden tiheys voi laskea äkillisesti ja vesimolekyylit järjestyä uudelleen tavalla, joka tekee vedestä jähmeämpää, vähemmän vuolaasti virtaavaa.

Keittiön vesihanasta juoksevan veden kohdalla ei moisista muutoksista ole pelkoa, sillä Arizonan valtionyliopiston C. Austen Angellin johtaman ryhmän kokeissa tarvittiin hyvin alhaisia lämpötiloja ja erikoisolosuhteita.

Simulaatioiden perusteella etsittyä ilmiötä on ollut vaikea havaita kokeellisesti, koska juuri ennen veden oletettua nesteolomuodon muutosta se tuppaa muuttumaan kiteiseksi jääksi. Ilmiölle on annettu nimeksi "kiteytymisverho" ja se on estänyt monia muitakin veden olemuksen selvittämiseen tähdänneitä kokeita.

"Keksimme kuitenkin keinon, jolla ’kiteytymisverhon’ saa vedettyä syrjään riittävän pitkäksi ajaksi, jotta ehdimme nähdä, mitä on sen tuolla puolen – tai pikemminkin sen alapuolella", Angell toteaa.

Nyt havaittu olomuodon muutos muistuttaa veden jäätymistä, mutta se tapahtuu paljon nollaa celsiusastetta alhaisemmassa lämpötilassa. Andellin johtamissa kokeissa tempussa onnistuttiin –90 celsiusasteen lämpötilassa. Vesi voi siis olla nesteenä paljon jäätymispistettä alhaisemmissa lämpötiloissa, mutta se onnistuu vain laboratorio-olosuhteissa.

Uudenlaisen veden jäljille päästiin laboratoriossakin jo pari vuotta sitten, kun Andell selvitteli kollegansa Zuofeng Zhaon kanssa proteiinien tutkimuksessa käytetyn "ideaaliliuoksen" ominaisuuksia. He huomasivat, että tietyissä oloissa suolaliuoksen jäähtyessä alkoikin vapautua lämpöä, joka mahdollisti veden pysymisen nesteenä, tosin uudenlaisessa olomuodossa.

Lasimaisen sitkas neste oli ominaisuuksiltaan yllättävä. Kun prosessi käännettiin toiseen suuntaan, vesi ei edelleenkään muuttunut jääksi, vaan palasi alkuperäiseen, "tavalliseen" olomuotoonsa.

Tuolloin tutkijat eivät osanneet selittää ilmiön fysikaalisia perusteita, mutta kun Andell lyöttäytyi yksiin Amsterdamin yliopiston Sander Woutersenin kanssa, alkoivat veden uudet salat selvitä.

Woutersen on asiantuntija infrapunaspektroskopiassa, jolla päästiin tutkimaan yksityiskohtaisesti veden molekyylirakennetta. Kävi ilmi, että molekyylitasolla vedessä tapahtuneet muutokset olivat samanlaisia kuin kahden aiemmin, jo 1990-luvun alkupuolella, havaitun jään olomuodon välillä.

Tuoreet tulokset osoittavat, että "kiteytymisverhon" takana todella tapahtuu olomuodon muutos nesteestä toisenlaiseksi nesteeksi. Uusi löytö saattaa auttaa myös selittämään omituisuudet nestemäisen veden termodynaamisissa ominaisuuksissa.

"Tällainen käyttäytyminen on lähes ainutlaatuista lukemattomien tunnettujen molekyylinesteiden joukossa", Andell lisää. "Sitä arvellaan esiintyvän vain joidenkin muiden aineiden kohdalla, mutta ainuttakaan tapausta ei ole vielä pystytty todistamaan."

Vesitutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-sivustolla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Markus Hotakainen