Новое “состояние” вещества может быть твердым и жидким одновременно

Материя принимает множество форм, но нам больше всего знакомы три базовых состояния: твердое, жидкое и газообразное. И вот впервые ученые смогли доказать, что материя может существовать в двух из этих состояний одновременно.

Речь идет о калии. Если правильно с ним обращаться, этот металл может быть одновременно твердым и жидким. Правильное обращение — это сильное давление и высокая температура. В таких условиях калий одновременно твердый и расплавленный.

Физик Андреас Германн из Эдинбургского университета описал это как “губку, из которой течет вода, вот только сама губка тоже состоит из воды”.

Калий в парафиновом масле (Jurii/Wikimedia Commons, CC BY 3.0)
Калий в парафиновом масле (Jurii/Wikimedia Commons, CC BY 3.0)

Вообще, калий довольно простой элемент. В твердом состоянии унего четкая базовая кристаллическая решетка. Но в экстремальных условиях с простыми металлами начинают происходить странные вещи.

Например, нам известно, что проводящий натрий при высоком давлении становится изолятором. А литий при высоком давлении и низкой температуре превращается в сверхпроводник.

В ходе предыдущих экспериментов ученые выяснили, что под высоким давлением атомы калия выстраиваютсяв сложную структуру — пять трубок атомов образуют квадрат с четырьмя по краям и одной в центре, еще четыре цепочки атомов располагаются между ними.

(McBride et al., Phys. Rev. B, 2015)
(McBride et al., Phys. Rev. B, 2015)

Если температура поднимается, цепочки исчезают. Чтобы понять, почему это происходит, в новом исследовании ученые спроектировали компьютерные модели поведения 20000 атомов калия в экстремальных условиях.

При достаточно высоком давлении и температуре — около 2–4 гигапаскалей (в 30 раз больше, чем на дне Марианской впадины) — атомы калия выстраивались в связные цепочки и решетки.

Химические взаимодействия между атомами решетки слишком сильны, чтобы разрушиться под действием температуры 400–600 кельвинов. А вот цепочки начинают уже переходить в хаотичное жидкое состояние.

Команда назвала новое состояние “фазой плавления цепочек” (chain-melted phase). Считается, что в правильных условиях она есть у многих материалов, включая натрий и висмут (условия, скорее всего, отличаются от необходимых для калия).

— 
Источник: статья будет опубликована в
PNAS.