Wetenschap

Nieuwe ‘exotische’ staat van materie is tegelijkertijd vast en vloeibaar

De bizarre materie zou lijken op een spons die van water is gemaakt en waaruit tegelijkertijd water weglekt. donderdag, 11 april 2019

Door Adam Mann

Vaste stof, vloeistof, gas… en nog iets anders? Hoewel we op school leren dat er maar drie ‘staten’, ‘toestanden’ of ‘fases’ zijn waarin materie zich kan bevinden, hebben natuurkundigen nu meerdere exotische staten of aggregatietoestanden ontdekt die bij extreme temperaturen en onder extreem hoge druk kunnen optreden.

Een onderzoeksteam heeft een vorm van kunstmatige intelligentie toegepast om het bestaan van een merkwaardige nieuwe staat van materie aan te tonen, waarbij kaliumatomen zich tegelijkertijd in een vaste en vloeibare staat bevinden. Als je een brok van deze materie zou kunnen bekijken, zou het er waarschijnlijk uitzien als een vast blok waaruit vloeibaar natrium weglekt en dat uiteindelijk geheel zou wegsmelten.

“Het zou zijn alsof je een spons vol water vasthoudt waaruit water begint te sijpelen, behalve dat de spons zelf ook van water is,” zegt Andreas Hermann, natuurkundige op het gebied van gecondenseerde materie aan de University of Edinburgh en medeauteur van het nieuwe onderzoek. Zijn team beschrijft de bevindingen deze week in de Proceedings of the National Academy of Science.

De ongebruikelijke aggregatietoestand waarin kalium zich zou kunnen bevinden, doet zich voor onder de extreme omstandigheden die in de aardmantel heersen, maar dit element wordt over het algemeen niet in pure vorm aangetroffen en is doorgaans met andere elementen verbonden. Met simulaties zoals ze voor deze nieuwe studie zijn uitgevoerd, kan ook het gedrag van andere mineralen in zulke extreme omgevingen worden bestudeerd.

Lekkend kristal

Metalen als kalium zijn op microscopisch niveau vrij eenvoudige materialen. Als kalium tot een vaste staaf is gevormd, liggen de atomen in keurige rijen naast elkaar, waardoor de stof elektrisch goed geleidend is. Lange tijd dachten onderzoekers dat het niet moeilijk was te voorspellen wat er onder hoge druk met zulke kristallijne structuren zou gebeuren.

Maar zo’n vijftien jaar geleden ontdekten ze dat natrium – een metaal met vergelijkbare eigenschappen als kalium – zich onder hoge druk vreemd begon te gedragen. Onder een druk van 20.000 bar (20.000-maal de druk op zeeniveau) verandert natrium van een zilverkleurig vast materiaal in een doorschijnend materiaal dat elektriciteit niet geleidt maar juist tegenhoudt. Door het natrium met röntgenstraling te bekijken zagen de onderzoekers dat de natriumatomen een veel complexere kristalformatie dan de normale, eenvoudige structuur hadden aangenomen.

Ook kalium is aan zo’n diepgaand onderzoek onderworpen. Wanneer deze stof onder hoge druk wordt gezet, rangschikken de atomen zich in ingewikkelde formaties: vijf cilindrische buizen in een X-vorm, met vier lange ketens in de plooien van het geheel – bijna alsof twee aparte en niet met elkaar in verbinding staande materialen zijn ontstaan.

“Op een of andere manier besluiten deze kaliumatomen zich op te splitsen in twee los met elkaar verbonden sub-roosters,” zegt Hermann. Maar toen de wetenschappers de temperatuur verhoogden, bleek uit de röntgenopnamen dat de vier ketens verdwenen, iets wat de onderzoekers niet goed konden verklaren.

Om meer te weten te komen maakten Hermann en zijn collega’s gebruik van simulaties, waarbij ze een zogenaamd ‘neuraal netwerk’ toepasten: een machine met kunstmatige intelligentie die gedragingen kan voorspellen op basis van eerdere voorbeelden. Nadat het neurale netwerk eerst werd losgelaten op kleine groepjes kaliumatomen, leerde het al snel genoeg kwantummechanica om groeperingen van tienduizenden atomen te kunnen nabootsen.

De computermodellen bevestigden dat kaliumatomen onder een druk van 20.000 tot 40.000 bar en bij een temperatuur van 400 tot 800 Kelvin (127 tot 527 graden Celsius) een aggregatietoestand aannamen die chain-melted state(‘keten-gesmolten’ fase) wordt genoemd en waarin de ketens in vloeistof overgaan (smelten) terwijl de resterende kaliumkristallen zich nog in vaste toestand bevinden.

Het is voor het eerst dat wetenschappers bij enig element konden aantonen dat zo’n fase thermodynamisch stabiel is.

De techniek van machinaal leren die door het team werd ontwikkeld, zou ook toegepast kunnen worden bij het modelleren van andere stoffen, zegt Marius Millot, die aan het Lawrence Livermore National Laboratory materialen onder extreme omstandigheden bestudeert.

“De meeste materie in het universum staat onder hoge druk en is extreem heet, bijvoorbeeld in het binnenste van planeten en sterren,” zegt hij.

Exotische staten

Nu de ketengesmolten fase van kalium is aangetoond, kan deze staat worden toegevoegd aan een reeks andere vreemde aggregatietoestanden waarin materie naast de gebruikelijke fases (gas, vloeistof en vaste stof) kan voorkomen:

Plasma: een extreem verhitte vorm van gas waarin de atoomkernen zijn gescheiden van hun elektronen, waardoor ze elektrische en magnetische velden genereren en erdoor beïnvloed kunnen worden.

Bose-Einstein-condensaat: ontstaat alleen bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt, waarbij alle atomen zich in deze toestand als één groot ‘superatoom’ gaan gedragen.

Supergeleider: een staat waarin bepaalde metalen tot een zeer lage temperatuur zijn afgekoeld en het materiaal geen elektrische weerstand meer heeft.

Superfluïde vloeistof: een vloeistof die tot bijna het absolute nulpunt is afgekoeld, zodat hij zonder enige weerstand (viscositeit) kan vloeien en zelfs tegen de wanden van een vat omhoog kan stromen en aan de andere kant weer naar beneden kan druipen.

Gedegenereerde materie: wordt alleen aangetroffen onder de extreem hoge druk in het binnenste van witte dwergen en neutronensterren, twee vormen van ‘dode’ sterren.

Quark-gluonplasma: een staat waarin protonen en neutronen oplossen in de quarks waaruit ze bestaan, zodat deze deeltjes zich vrij kunnen bewegen tussen gluonen, die de sterke kernkracht overbrengen.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer