Cameron Merritt
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Eine neue Art von Materie kann gleichzeitig fest und flüssig sein.
In diesem kettengeschmolzenen Zustand verflechten sich geschmolzene und feste Schichten auf atomarer Ebene. Kürzlich haben Forscher mithilfe von Computersimulationen virtuelles Kalium in einen kettengeschmolzenen Zustand gebracht, indem sie das Metall extremen Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt haben, berichteten die Wissenschaftler in einer neuen Studie.
Darüber hinaus blieb dieser Doppelzustand auch durch dramatische Änderungen der Versuchsbedingungen innerhalb der Simulation bestehen. Dieser Beweis zeigte auch, dass der kettengeschmolzene Zustand eine stabile Art von Materie ist und nicht nur ein Übergang zwischen fest und flüssig. [Die 18 größten ungelösten Rätsel der Physik]
Diese Experimente wurden auf atomarer Ebene in einer virtuellen Umgebung durchgeführt, aber wie könnte es sein, ein Objekt in diesem besonderen Zustand zu halten?
"Es würde wie ein Feststoff aussehen und sich anfühlen, so dass man es aufnehmen kann, dann ist ein flüssiger Teil darin, der austreten könnte", so Co-Autor Andreas Hermann, ein Leser für Computerphysik an der School of Physics der Universität Edinburgh und Astronomie in Schottland, erzählt .
"Aber sobald die Flüssigkeit aus dem Material verloren geht, würde ein Teil des festen Teils schmelzen, um es wieder aufzufüllen", sagte Hermann.
Die Forscher hatten bereits in einer früheren Studie gezeigt, dass Kalium, ein hochreaktives Metall, etwas seltsam ist. Sie zeigten, dass Kalium unter hohem Druck eine ungewöhnliche Kristallstruktur aus zwei verschiedenen, miteinander verwobenen Gittern bildet, "die von einer sehr einfachen atomaren Anordnung zu etwas sehr Kompliziertem übergeht", sagte Hermann.
Für die neue Studie führten die Wissenschaftler Simulationen durch, bei denen Kalium neben hohem Druck auch hohen Temperaturen ausgesetzt wurde. Durch die Einbeziehung von maschinellem Lernen in die Simulationen wurde die Anzahl der Atome - in diesem Fall 20.000 auf einmal -, die die Autoren der Studie testen konnten, erheblich erhöht.
In den neuen Simulationen hat Kalium beim Erwärmen etwas sehr Seltsames getan. Nachdem seine Atome eine ineinandergreifende Gitterstruktur gebildet hatten, waren die Atome in einem Gitter stark verbunden, wobei ein fester Zustand beibehalten wurde. Aber das Signal vom anderen Gitter verschwand, was auf eine Störung in den Atomen hinweist, stellten die Autoren der Studie fest.
Mit anderen Worten, diese Atome wurden flüssig, während ihre unmittelbaren atomaren Nachbarn fest blieben, wodurch ein Zustand entstand, der weder wirklich fest noch flüssig ist, sondern eine Mischung aus beiden, "auf atomarer Ebene miteinander verbunden", sagte Hermann.
Sobald die Kaliumproben diesen doppelten Zustand erreicht hatten, blieben sie laut Hermann auch nach dem Erhöhen der Hitze um Hunderte von Grad teils flüssig und teils fest.
Andere Studien haben gezeigt, dass Kalium nicht das einzige Element ist, das unter starkem Druck zwei miteinander verflochtene Gitter von Atomen entwickelt, und diese Elemente - "Nachbarn von Kalium und anderswo im Periodensystem" - können möglicherweise auch eine Teilflüssigkeit erreichen und Teilfestkörper, sagte Hermann.
Das von den Autoren der Studie entwickelte System des maschinellen Lernens zur Untersuchung von Kalium könnte auch mit anderen Substanzen verwendet werden, um zu entschlüsseln, wie sich extreme Bedingungen auf atomarer Ebene auf sie auswirken.
"Dies ist der Beweis des Prinzips: Eine rechnerisch billige Technik, mit der Materialien über einen weiten Bereich von Drücken und Temperaturen beschrieben werden können, einschließlich einiger sehr exotischer Zustände, wie wir sie in diesem Artikel beschrieben haben", sagte Hermann. "Das ist unser Ziel, zu anderen Materialien überzugehen, in denen wir verschiedene materialwissenschaftliche Fragen beantworten können."
Die Ergebnisse werden online in einer bevorstehenden Ausgabe der Zeitschrift Proceedings der National Academies of Science veröffentlicht.
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