Експерименти с калий: материята може да бъде едновременно твърда и течна

В състояние на разтопена верига, разтопените и твърдите слоеве се преплитат на атомно ниво. Наскоро, използвайки компютърни симулации, изследователите принудили виртуалния калий да се превърне в разтопено състояние чрез излагане на метала на екстремна температура и налягане, съобщават учените в ново проучване.

Нещо повече, това двойно състояние продължава дори при драматични промени в условията на експериментите в рамките на симулацията. Това доказателство също така показва, че разтопеното във верига състояние е стабилен тип материя, а не просто преход между твърдо и течно вещество.

Тези експерименти са проведени на атомно ниво във виртуална среда, но как би изглеждал обект в това своеобразно състояние?
„Ще изглежда и ще се чувства като твърдо тяло, така че можете да го вземете, но има и течна част в него, която може да изтече“, казва съавторът на изследването Андреас Херман, преподавател по физика и астрономия в Университета в Единбург, Шотландия.
„Но след като течността се изгуби от материала, и малко от твърдата част ще се стопи, за да я попълни“, казва Херман.

Изследователите вече демонстрираха в едно предишно проучване, че калият, силно реактивен метал, е доста странен. Те показаха, че под високо налягане калият образува необичайна кристална структура от две различни, преплетени решетки, „преминавайки от много просто атомно устройство към нещо много по-сложно“, казва Херман.

За новото проучване учените провеждат симулации, които подлагат калий на високи температури в допълнение към високото налягане. Включването на машинното обучение в симулациите значително увеличава броя на атомите – 20 000 едновременно в този случай – които авторите на изследването могат да тестват.

В новите симулации, когато се загрява, калият прави нещо много странно. След като неговите атоми образуват взаимосвързана решетъчна структура, атомите в една решетка са силно свързани, поддържайки твърдо състояние. Но сигналът от другата решетка изчезва, което показва разстройство в атомите, отбелязват авторите на изследването.

С други думи, тези атоми стават течни, докато техните непосредствени атоми-съседи, остават твърди, създавайки състояние, което не е нито наистина твърдо, нито течно, а смес от двете, „свързани помежду си на атомно ниво“, казва Херман.

След като калиевите проби стигат до това двойно състояние, те се задържат като частично течни и частично твърди дори и след като топлината се променя със стотици градуси, според Херман.

Други проучвания показват, че калият не е единственият елемент, който развива две преплетени решетки от атоми при силен натиск. Тези елементи, „съседи на калия, но и на други места в периодичната таблица“, също могат да бъдат в частично течно и частично твърдо състояние, обяснява Херман.

Системата за машинно обучение, разработена от авторите на изследването за анализиране на калия, също може да бъде използвана с други вещества, за да декодира как екстремните условия ги засягат на атомно ниво.

„Това е доказателство, че евтина изчислителна техника може да опише материали в широк диапазон от налягания и температури, включително някои много екзотични състояния, като това, за което говорим в нашето изследване“, казва Херман.

Изследването ще бъде публикувано в изданието Proceedings of the National Academies of Science.