發現新物質狀態,原子可以同時是固體和液體,暫命名「鏈熔態」

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 10 日 16:15 | 分類 材料 , 自然科學 follow us in feedly


鉀是我們所知道最簡單的金屬之一,原子在正常條件下有條不紊地排列,然而當遇上極端條件,再簡單的事物都會變得複雜。最新模擬研究證實,包括鉀在內的某些元素若面臨極端壓力、溫度,內部原子會同時出現固態和液態相,科學家已將這種全新物質狀態命名為「chain-melted state」(暫譯鏈熔態)。

宇宙萬物中,肉眼能見的所有有形物體都是物質,最基本的三大物質狀態我們耳熟能詳,即:固態、液態與氣態。隨著近代實驗技術進步,科學家開始發現更多物質狀態,比如玻色─愛因斯坦凝態、費米子凝聚態、夸克-膠子漿等。

此前我們認為,構成物質的原子在同一時間、同樣環境下只會呈現固態、液態或氣態其中一種,比如當物質呈現固態時,代表內部粒子(包括原子、分子、離子)彼此受化學鍵(chemical bond)緊密牽制,無法自由行動;當物質呈現液態時,雖然內部粒子仍受化學鍵(chemical bond)牽連,但分子之間能量夠大,有一定的移動自由度。

在金屬晶體中,原子排列緊密,結構看上去整齊乾淨,然而當遇到極端條件,再簡單的金屬都會發生複雜的變化,比如導電金屬鈉在高壓下反而轉變為絕緣體、鋰金屬在高壓或低溫下成為超導體;大約 15 年前,科學家曾發現鈉在承受極端壓力時(約地球大氣壓力 2 萬倍),顏色從銀色轉為透明。

幾年前,另一組實驗表明鉀在高壓環境下,原本井然有序的原子排列趨向複雜(如下圖),5 個原子管排成 X 型(正方形的 4 個角和中間),四邊則有 4 條原子鏈連接。

(Source:《物理評論 B》期刊論文

現在,英國愛丁堡大學團隊最新研究發現,鉀在極高壓高溫環境下出現了奇異的全新物態。科學家以電腦模擬 2 萬個鉀原子在 2~4 GPa 壓力、溫度 126~530℃ 下會有什麼表現,結果發現,此時鉀原子構成的晶格結構仍維持固體,但原子鏈熔化為無序液體,進入所謂的鏈融態(chain-melted state)。

研究人員說,包括鈉、鉍等 6 種元素,可能都具有這種鏈熔態,如果我們能在其他材料中創造出鏈熔態,或許會出現各式各樣無法想像的應用──雖然它的壓力條件需求有點太嚴苛。新論文發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

(首圖來源:pixabay

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