학교에서 고체, 액체 및 가스의 세 단계가 있다는 것을 배웠을 수도 있습니다. 그것은 어린 학생들에게 유용한 단순화이지만 실제로는 더 많습니다. 지난 세기 정도 동안, 우리는 수백 가지의 독특한 고체 단계가 있음을 발견했습니다. 그 중 일부는 컴퓨터를 실행하는 실리콘 칩을 구축하는 데 사용됩니다. 또한 수십 개의 액정 단계가 있으며 그 중 일부는 랩톱 화면에 이미지를 만듭니다. 그리고 그것은 우리가 정말로 이국적인 것들에 도달하기 전에입니다. 슈퍼 플루이드, 쿼크-글루온 혈장, 보스-유인 슈타인 응축수 및 소위“토폴로지 단계”와 같은 양자 단계.
.그러나 우리가 그에 도달하기 전에 물러서서“단계”라는 단어의 의미를 논의합시다. 많은 기본 개념과 마찬가지로 단계는 예에 의해 가장 잘 설명됩니다. 아이스 큐브가 들어간 물 한 잔을 고려해 봅시다. 유리에는 물질이 하나만 들어 있습니다 :물. H 2 의 많은 분자 O.
아이스 큐브의 분자는 주변 물의 분자와 정확히 동일하지만 얼음과 액체 물 사이에는 큰 차이가 있습니다. 가장 분명히, 하나는 단단하고 정의 된 모양을 유지하고 하나는 용기의 모양을 취하여 자유롭게 흐릅니다. 밀도, 전기 전도도 및 기타 여러 물리적 특성의 차이도 있습니다. 그래서 우리는 액체 물과 얼음이 다르다고 말합니다. 단일 물질의.
얼음과 물이 근본적으로 다른 행동을 나타내는 것은 어떻게 될 수 있습니까? 차이는 온도라고 말하고 싶은 유혹을받을 수 있습니다. 물은 따뜻하고 얼음이 차갑고, 어떻게 든 물 분자가 다르게 행동하게 만듭니다. 그러나 0 ° C와 정상적인 대기압에서 얼음과 액체 물 모두 안정적입니다. 즉, 변화없이 무기한으로 존재할 수 있습니다.
.따라서 온도가 얼음과 액체 물의 주요 차이가 아니라면 무엇입니까?
크고 작은 생각
과학자들은 인간 규모 (또는 거시적 사이의 연결에 대해 오랫동안 추측 해 왔습니다. ) 다양한 재료의 특성 및 해당 재료의“조각”의 현미경 배열. 1611 년 요하네스 케플러 (Johannes Kepler)는 1611 년에“6 코너 스노프레이크 :새해 선물”이라는 유쾌한 제목으로 이루어졌습니다. Kepler는 정기적 인 육각 배열로 함께 포장 된 작은 구체로 얼음이 만들어지면 눈송이의 육각형 대칭을 설명 할 수 있다고 주장했다.
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우리는 이제 원자의 특정 배열에 대한 Kepler의 추측이 약간 잘못되었다는 것을 알고 있습니다. 그가 그린 배열은 물 분자의 3D 모양과 복잡한 상호 작용을 정확하게 설명하지 않습니다. (케플러에게 공정하게, 화학은 아직 발명되지 않았으며, 거의 300 년이 지난 지금까지 원자의 존재는 결정적으로 입증되지 않았다. 그럼에도 불구하고 그는 올바른 길을 가고 있었다. 눈송이의 6 배 대칭은 물 분자가 육각형 대칭이있는 3D 구조로 배열된다는 사실에서 비롯됩니다.
현대 물리학의 언어로 Kepler는 눈이 결정질 고체라고 말합니다. - 원자 또는 분자가 a 크리스탈 격자라는 일반 어레이로 포장되어 있기 때문에 특성을 얻는 물질의 단계 . 현대의 물리학 자들은“결정”이라는 단어를 사용하여 소재가 다이아몬드 나 소금 또는 눈송이처럼 눈을 보는지 여부에 관계없이 미세한 구조 자체를 지칭합니다. 따라서 물리학 자에게는 많은 금속과 세라믹이 결정입니다. 원자 나 분자는 일반적인 격자로 배열되기 때문입니다.
그래서 그것은 물 유리의 얼음을 설명합니다. 그러나 액체 물은 어떻습니까? 절대 제로 (-273 ° C) 이상의 물질에서, 분자는 끊임없이 움직이고 강력한 휴식 후 당구 공처럼 서로 튀는 것입니다. 물질의 온도는 단순히 분자가 얼마나 빨리 움직이는지를 측정하는 것입니다.
액체에서,이 임의의 열 모션 격자를 제자리에 고정시키는 분자들 사이의 힘을 극복 할 수있을 정도로 강하다. 그리고 격자가 제자리에 고정되지 않으면 물 분자는 서로 훨씬 더 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이것은 왜 액체 물이 손가락으로 밀어 넣을 때, 그러나 얼음은 그렇지 않은지 설명합니다. (흥미롭게도, 창문 유리와 같은 물질이 완전히 무질서한 미세 구조를 가지고 있지만 거시적 수준에서 고체처럼 행동합니다.이 행동을 이해하는 것은 물리학에서 가장 중요한 문제 일 수 있습니다.)
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단계적
Kepler의 2D 스케치가 아닌 실제 얼음과 같은 3D 재료에서는 이들이 복잡해 질 수 있습니다. 3 차원에서는 정기적 인 어레이에 분자를 배열하는 여러 가지 방법이 있기 때문입니다. 예를 들어, 17 개의 알려진 ICE 단계가 있으며, 그 중 가장 최근에는 작년 이탈리아 연구원들이 처음으로 창설하고 연구했습니다. 다른상은 온도와 압력의 다양한 조건에서 발생하며, 모두 고체이지만 각각은 밀도, 경도, 전기 및 자기장에 대한 응답, 열전도율 등을 갖습니다. 거시적 행동의 이러한 차이는 우리가 다른 단계라고 말하는 이유입니다. 지구 표면에서 발견되는 온도와 압력 조건 인 "정상적인"조건 하에서, IC는 일반적으로 얼음 IH 형태 ( "Ice One H")에 있습니다. 이 육각형 형태는 6 배의 눈송이 대칭을 담당합니다.
(다양한 아이스의 라벨링은 실제로 얼음 IX가 있음을 의미합니다. 운 좋게도 지구 표면의 온도와 압력에서 다른 얼음 9보다 훨씬 깨지기 쉬운 것입니다. 쿠르트 본 네가 (Kurt Vonnegut)의 책에서 바다를 견고하게 만드는 안정적인 단계 cat 의 크래들 .)
그리고이 이야기는 아직 끝나지 않았습니다. 천왕성과 해왕성과 같은 거대한 가스 행성의 중심에있는 초고 압력에 아직 발견되지 않은 많은 얼음 단계가 존재할 수 있습니다. 이러한 극한의 조건 (1,000 만 대기의 압력 이상)에서 물은 꽤 이상한 결정질 고체상을 형성 할 것으로 예상됩니다. 여기에는 전도성 금속 상이 포함되어 있으며, 어떻게 든 닦는 방법을 알아낼 수 있다면 반짝이게 보일 것입니다.
중간
마이크로 구조와 거시적 특성 사이의 연결은 과학 및 공학의 핵심 아이디어이며 많은 종류의 재료 설계에 사용됩니다. 예를 들어, 액정 랩톱, TV 및 휴대폰 LCD ( "액정 디스플레이") 스크린의 주요 구성 요소입니다. 액정은 비정상적으로 길고 막대 모양의 형상을 가진 분자를 가지고 있습니다. 이로 인해 이러한 분자는 일반 재료에서 볼 수없는 특성으로 전체 상을 형성 할 수 있습니다.
예를 들어, 고온에서 분자는 완전히 무질서합니다. 각 막대는 액체 물의 분자와 같이 무작위로 배치되며 각 막대는 무작위 방향으로 배향됩니다. 이것을 등방성 상이라고합니다 . 더 낮은 온도에서 분자는 네마 틱 상으로 이동할 수 있습니다. 액체 물에서와 같이 각각이 무작위로 배치되지만 분자는 일반적으로 같은 방향을 가리 킵니다. 격자가 없기 때문에 네마 틱상은 액체처럼 흐를 수 있지만 모든 막대가 정렬되기 때문에상은 특정 종류의 미세한 순서를 갖습니다. 따라서 "액정"이라는 용어입니다.
운 좋게도 현대 시대에 우리 모두에게 네마 틱 단계에는 특이한 방향 의존적 특성이 있습니다. 전기장에 배치되면 막대 모양의 분자는 그 분야와 일치하는 경향이 있습니다. LCD 스크린에서, 네마 틱상의 분자는 편광 필터로 작용한다. :분자가 한 방향 (예 :위로 아래로 향함)을 방향 할 때 들어오는 빛이 통과 할 수있는 장치 (왼쪽 오른쪽)로 지향 할 때는 그렇지 않습니다. LCD에서, 각 픽셀을 가로 지르는 작은 전극은 해당 픽셀 내부의 분자의 방향을 제어하는 전기장을 생성하여 빛을 발산하는지 여부
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미수표 모델링
미세 구조가 우리가 만나고 생성하는 많은 재료의 특성을 설명하는 데 도움이된다는 것은 분명합니다. 그러나 우리는 실제로 를 볼 수 있습니다 이 현미경 순서는 실생활에서? 얼음이나 소금 또는 금속과 같은 일반 물질의 경우 원자와 분자가 너무 작기 때문에 이것은 까다 롭습니다. 예를 들어, 물 분자는 1 억 분의 1 미터 미만입니다. 정상적인 광학 현미경으로 볼 수없고 가장 현대적인 현미경 기술로도 관찰하기에 어려움을 겪을 정도로 작습니다.
.운 좋게도 원자와 분자만이 단계로 자체 구성하는 것은 아닙니다. New York University Center for Soft Research의 Chaikin Lab에서는 작고 견고한 구체를 사용하여 물질을 연구합니다. 이 작은 구체는 콜로이드라고 불립니다 그리고 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 우리가 실험실에서 사용하는 콜로이드는 물 분자보다 약 3,000 배 더 큽니다. 박테리아 또는 동물 세포의 핵과 비교할 수 있습니다. 재료 과학자의 경우 콜로이드는“골디 락 입자”입니다. 현미경으로 볼 수있을 정도로 충분하지만 얼음이나 물과 같은 일반 재료와 유사한 단계를 만들기에 충분히 작습니다.
NYU에서는 특수한 코팅이있는 콜로이드를 제조하여 수면을 고수 할 수 있습니다. 우리의 입자가 물방울에 달라 붙으면 아래에 표시된 것과 같은 아름다운 현미경 이미지를 촬영할 수 있습니다. 이 이미지에서, 우리는 서로 다른 단계의 미세한 구조와 그 순서가 어떻게 독점과 같은 거시적 특성으로 이어지는지를 볼 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 현재 입자의 거동이 여전히 연못과 같은 평평한 표면과 달리 구형 방울에 붙어있을 때 어떻게 변하는 지 연구하고 있습니다. 구체에있는 것이 결정의 형성과 고체와 같은 행동의 출현에 도움이됩니까? 궁극적으로 이것은 구형이거나 훨씬 더 복잡한 모양을 가진 중요한 구조의 특성을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 우리가 HIV 유전자를 보호하는 단백질 껍질에 대해 더 많이 알고 있다면, 우리는 그 껍질을 깨고 바이러스를 무해하게 만들 수 있습니다.
결정이 나빠질 때
현미경 순서에 대한 학습의 가장 중요한 부분 중 하나는 순서가 언제 어떻게 실패하는지 이해하는 것입니다. 예를 들어, 크리스탈 격자에서 콜로이드 사진을 자세히 살펴보면 순서가 균일하게 정확하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 결함이라고 불리는 불완전한 영역을 관찰 할 수 있습니다.
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원자 및 분자 결정에서도 비슷한 결함이 발생하며 여러 가지 방법으로 중요합니다. 예를 들어, 그들은 재료의 산성을 결정하는 데 중요합니다. 또한, 결정 결함은 재료가 전기를 전달하는 방식에 영향을 줄 수 있기 때문에 반도체 제조업체는 단일 계정 실리콘을 생산하는 데 수십억 달러를 소비합니다. - 결함이 거의없는 실리콘의 거대한 블록. 반면에, 때때로 이러한 미세한 흠은 매우 바람직합니다. 최근의 연구는 그래 핀의 결함을 제어하고 조작하여 물 담수화를위한 필터로 최적화하는 방법에 중점을 두었습니다.
.NYU에서는 콜로이드 결정을 사용하여 결함이 어떻게 생성되고, 움직이고, 서로 상호 작용하는지 확인합니다. 위상 행동과 마찬가지로 콜로이드 결정에서 발생하는 일을 연구하면 다른 재료의 결함을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 인생의 많은 것들과 마찬가지로 때로는 결함이 가장 흥미로운 부분입니다.
Colm P. Kelleher는 뉴욕 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았습니다. 그는 의 저자 중 하나입니다 2017 년에 출판 될 Matter Coloring Book (Green Frog Publishing)의 단계.
각주
1. “물질의 상태”라는 용어는 때때로“물질의 단계”와 상호 교환 적으로 사용되며, 과학의 많은 기본 개념과 마찬가지로, 어느 용어도 독특하고 보편적으로 합의 된 정의를 갖습니다.
.2. 실제로, 물은 우리가 인간이 정기적으로 세 단계에서 만나는 유일한 물질입니다. 이것은 물이 매우 특별한 재료 인 많은 이유 중 하나 일뿐입니다.
3. 삼각형 눈 결정도 있지만 그 이유는 확실하지 않습니다.
4. 대략 가 있습니다 17 단계 얼음. 분류법에 대한 많은 질문과 마찬가지로, 그것은 당신이 계산하는 방법에 달려 있습니다.
5. 들어오는 빛이 선형 편광 인 경우에도 마찬가지입니다. . 전화 나 노트북 디스플레이에서 이것은 광원과 화면 사이에 편광 필터를 넣어 달성됩니다.
6. 이 설명은 구체적으로 "평면 내 스위칭"LCD (IPS-LCD)를 나타냅니다. IPS-LCD에서 화면 뒤의 조명 패널은 균일 한 밝기의 흰색 빛을 방출합니다. 화면 자체는 각각 3 개의 서브 픽셀을 포함하는 픽셀의 메쉬로 구성됩니다. 서브 픽셀은 얇은 층의 네마 틱상 막대를 함유한다. 각 서브 픽셀의 양쪽에 배치 된 작은 전극은 분자의 방향을 제어하므로 빛이 해당 서브 픽셀을 통과 할 것인지의 여부. 3 개의 서브 픽셀은 빨간색, 파란색 및 녹색 필터로 코팅되어 픽셀이 모든 색상을 발현 할 수 있습니다. 다른 설계로는 유사한 결과를 달성하기 위해 훨씬 이국적인 "트위스트 네마 틱"액정 단계를 사용하는 "Twisted Nematic"LCD (TN-LCD)가 포함됩니다. TN-LCD에 대한 심층적 인 설명은 여기에서 비디오를 확인하거나 HowstuffWorks에서 LCD에 대한 전반적인 설명을 확인하십시오.
7. 이 사진들은 공 초점 현미경이라고하는 유형의 현미경으로 촬영되었습니다. 공 초점 현미경에서, 형광 염료가 샘플에 내장되고, 레이저는 염료를 빛나게한다. 이 그림에서 우리는 콜로이드 자체에서 방출 된 빛을보고 있습니다.
시계 : UC 버클리 화학자 Richard Saykally가 17 가지 형태의 얼음이 존재하는 이유에 대해 이야기합니다.
