Φυσικοί περιγράφουν παράξενη νέα κατάσταση της ύλης σαν υγρό

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Σικάγου, 6 Δεκεμβρίου 2005

Φυσικοί του πανεπιστημίου του Σικάγου έχουν δημιουργήσει μια νέα κατάσταση της ύλης μη χρησιμοποιώντας τίποτα περισσότερο από ένα κιβώτιο συσκευασμένης άμμου και ένα μάρμαρο που πέφτει μέσα της. Έχουν δε διαπιστώσει ότι το μάρμαρο που προσκρούει παράγει ένα πίδακα κόκκων άμμου, που σύντομα συμπεριφέρεται σαν ένα ειδικού τύπου πυκνού ρευστού.

Δεξιά εικόνα: Σύγκριση των πιδάκων με κόκκους στην ατμοσφαιρική πίεση και σε ένα κενό. Οι εικόνες A-C είναι από ένα βίντεο τι συμβαίνει από την πτώση μιας μεγάλου βάρους σφαίρας σε ατμοσφαιρική πίεση πάνω στην άμμο. Οι εικόνες D-f δείχνουν τον πίδακα των κόκκων σε μειωμένη πίεση. Ο αέρας που συμπιέζεται μεταξύ των κόκκων της άμμου δίνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της δημιουργίας του πίδακα, σύμφωνα με τους επιστήμονες στο πανεπιστήμιο του Σικάγου.

"Ανακαλύψαμε ένα νέο τύπο ρευστού που φαίνεται να υπάρχει σε αυτόν τον συνδυασμό κάποιου αερίου -- ο αέρας σε αυτήν την περίπτωση -- και μιας πυκνής διευθέτησης ορισμένων μορίων", αναφέρει ο Heinrich Jaeger, καθηγητής της φυσικής και εφαρμοσμένης μηχανικής των υλικών στο πανεπιστήμιο του Σικάγου. "Είναι ένα καταπληκτικό φαινόμενο."

Οι επιστήμονες έχουν παραγάγει νέες καταστάσεις της ύλης σε εξαιρετικά ψυχρές θερμοκρασίες, που πλησιάζουν στο απόλυτο μηδέν. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, τα κοκκώδη υλικά παίρνουν ασυνήθιστα χαρακτηριστικά στη θερμοκρασία του δωματίου. "Ο πίδακας ενεργεί σαν ένα εξαιρετικά ψυχρό, εξαιρετικά πυκνό αέριο, όχι από την άποψη της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, αλλά από την άποψη του πώς καθορίζουμε τη θερμοκρασία μέσω της τυχαίας κίνησης των μορίων. Μέσα στον πίδακα υπάρχει πολύ, πολύ λίγη τυχαία κίνηση", εξηγεί ο Jaege.

Το φαινόμενο αυτό του πίδακα αναφέρθηκε αρχικά το 2001 από τους Sigurdur Thoroddsen και Amy Shen, που έπειτα ήταν στο πανεπιστήμιο του Ιλλινόις στην Urbana-Champaign. Η μελέτη του τρόπου που αλλάζουν τα χαρακτηριστικά των υλικών σαν τους κόκκους, από τη στερεά στη ρευστή κατάσταση, είναι από καιρό ένα ερευνητικό θέμα στο κέντρο του Σικάγου για την έρευνα των υλικών.

Εν τω μεταξύ, μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από τον Detlef Lohse στο πανεπιστήμιο του Twente της Ολλανδίας χρησιμοποίησε προσομοιώσεις και μεγάλα βίντεο για να συμπεράνει πώς ο πίδακας προκλήθηκε από τη βαρύτητα καθώς το υλικό ορμούσε για να γεμίσει το κενό που άφησε πίσω το αντικείμενο που προσκρούει.

Αργότερα η ομάδα χρησιμοποίησε και ακτίνες X με μια ταχύτητα 5.000 εικόνες ανά δευτερόλεπτο, για καλύτερη αναπαράσταση του φαινομένου.

Τα πειράματα, που πραγματοποιήθηκαν και στην ατμοσφαιρική πίεση και σε ένα κενό, έδειξαν ότι ο αέρας που συμπιέζεται μεταξύ των κόκκων της άμμου δίνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας, που οδηγεί τον πίδακα. 

"Το αποτέλεσμα είναι συνολικά απροσδόκητο", λέει ο Lohse. "Κάποιος θα νόμιζε ότι η επίδραση του αέρα θα αποδυνάμωνε τον πίδακα αλλά συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο."

Ο Jaeger λέει ότι μπορείτε να κάνετε αυτό το πείραμα στο σπίτι. Πάρτε ένα φλιτζάνι ζάχαρης άχνης και χύστε την σε ένα άλλο δοχείο. Κατόπιν, ρίξτε ένα κομμάτι μάρμαρο στο δοχείο. "Μόλις το ρίξετε εκεί μέσα, βλέπετε αυτή την ανάδυση του πίδακα, αλλά πρέπει να το κάνετε γρήγορα".