Materie ieşită din comun (video)

În anumite condiţii de temperatură şi presiune, materia obişnuită se comportă într-un mod cu totul ieşit din comun. Proprietăţile ei se schimbă neaşteptat, sugerând posibilităţi tehnologice care ar rămâne, altfel, greu de imaginat. De mai bine de un secol, fizica şi ingineria au început studiul sistematic al proprietăţilor diverselor materiale la temperaturi foarte joase. Cercetări recente sugerează că, în viitorul apropiat, s-ar putea pune la punct aplicaţii în industrie şi în tehnologia de vârf.

Un proces fizic banal...

În fizică sunt cunoscute deja, de mai multe decenii, sisteme ce dovedesc „ordine“ acolo unde nimeni nu se aşteaptă să găsească aşa ceva, adică departe de starea lor de echilibru termodinamic. În aceste situaţii, cel puţin potrivit teoriei clasice, sistemul ar trebui să aibă o comportare haotică. Însă nu se întâmplă întotdeauna aşa.

Unul dintre cele mai cunoscute exemple îl constituie celulele de convecţie Rayleigh-Benard. Iată, pe scurt, experimentul. Între două straturi omogene de sticlă, menţinute la temperaturi diferite, este introdus un lichid. Stratul de sticlă de dedesubt are temperatura mai mare decât cel de deasupra. Câtă vreme diferenţa temperaturilor stratului de sticlă de dedesubt şi a celui de deasupra nu este foarte mare, „trecerea“ căldurii de la sticla fierbinte către cea rece se va face prin lichidul dintre ele, pe baza mişcărilor moleculare existente în lichid. Felul în care căldura „trece“ de jos în sus, prin lichid, este descris de termodinamică. Moleculele din vecinătatea peretelui de sticlă mai cald vor fi mai agitate, încât vor ciocni tot mai mult pe celelalte. Treptat, agitaţia lor (în fapt, o temperatură mai ridicată) se va transmite în pelicula de lichid, ajungând până la peretele de sticlă de deasupra. Ciocnirile moleculelor din lichid cu sticla de sus vor transmite acesteia agitaţia termică, încât ea se va încălzi.

...oferă indicii despre cum poate apărea ordinea din dezordine

Până aici - nimic nou pentru ceea ce descria termodinamica în formularea ei clasică, intuitivă, să spunem. Totuşi, dacă diferenţa de temperatură dintre cele două straturi de sticlă depăşeşte o anumită valoare critică, se întâmplă ceva extraordinar. Felul în care se face transferul de căldură de la stratul mai fierbinte către cel mai rece, prin lichidul dintre ele, le organizează! Moleculele se mişcă ordonat, încât în lichid apar domenii distincte, în forma unor tuburi de convecţie cu secţiune hexagonală. Prin ele lichidul urcă de jos în sus, transportând căldură, în timp ce, prin tuburi asemănătoare, lichidul coboară. Apar, aşadar, structuri ordonate în lichidul dintre straturile de sticlă, cu această proprietate remarcabilă de a transporta mult mai eficient căldura. Moleculele se organizează miraculos, deşi era de aşteptat ca, pe măsură ce temperatura creşte, ele să transporte căldura de jos în sus tot mai haotic.

Haosul este mai mult decât o simplă dezordine

Un sistem fizic poate deci intra spontan într-o stare de ordine, chiar departe de starea lui de echilibru termodinamic! Modul de organizare al moleculelor în tuburi de convecţie ce optimizează transportul de căldură sugerează că, în anumite situaţii, ceea ce este considerat în mod comun ca fiind haos nu corespunde întocmai stărilor complet dezordonate. De fapt, într-un fel contraintuitiv, în multe situaţii haosul este chiar legat de ordine. Ştiinţele complexităţii au arătat că ordinea poate fi „ascunsă“ până şi în stările cele mai violente şi dezordonate ale sistemelor. Aceste situaţii dezvăluie de fapt că materia însăşi dovedeşte o remarcabilă „predilecţie“ pentru ordine, manifestată spontan, chiar în stări situate „la marginea haosului“!

Aceste sisteme deschise (numite şi disipative) dovedesc posibilitatea de a poseda ordine spontană, în condiţiile în care sunt alimentate cu energie din exterior.

Un lichid care nu îngheaţă

Există însă şi situaţii când scăderea temperaturii determină schimbarea semnificativă a proprietăţilor materiei. Unul dintre cele mai surprinzătoare exemple este heliul lichid. Heliul este cel mai uşor gaz inert, care s-a dovedit experimental a fi cel mai greu de lichefiat. În debutul cercetărilor privind comportarea materialelor la temperaturi joase, s-a constatat că, în situaţia în care heliul este răcit până foarte aproape de zero absolut (-273 grade Celsius), el rămâne totuşi lichid! În general, în vecinătatea temperaturii de zero absolut, toate substanţele se solidifică. Heliul lichid este singurul corp care rămâne lichid, solidificarea lui nefiind posibilă decât dacă presiunea creşte până la 25 de atmosfere.

Proprietăţi remarcabile

Proprietăţile heliului lichid în vecinătatea temperaturii de zero absolut sunt remarcabile. În primul rând, viscozitatea lui nu mai poate fi măsurată. În cazul curgerii, lichidul se comportă ca şi cum în interior nu ar mai exista ciocniri între atomi; mişcarea lor pare să fie ordonată şi regulată.

De asemenea, conductibilitatea termică a heliului este foarte ridicată. Căldura se transmite prin lichid nu în forma unui flux de căldură, ca în cazul lichidelor obişnuite, ci în forma unor unde!

Supraconductibilitatea

Una dintre proprietăţile ce apar la unele materiale, în cazul temperaturilor foarte joase, este supraconductibilitatea. În general, un curent electric străbate metalele deoarece electronii individuali se mişcă printre atomi. Însă mişcarea lor nu este complet liberă, ci întâmpină o rezistenţă din partea ţesăturii de atomi pe care o traversează. În 1911 s-a făcut o descoperire remarcabilă: mercurul răcit la o temperatură de patru grade peste zero absolut nu mai opunea nici un fel de rezistenţă curentului electric! Din momentul în care este pornit, curentul electric continuă să îl străbată fără să mai fie nevoie alimentare pentru a-l menţine!

Acesta a fost începutul. Între timp, s-a putut observa faptul că foarte multe metale şi aliaje sunt, în apropierea temperaturii de zero absolut, supraconductoare. Posibilele aplicaţii ale supraconductibilităţii ar putea fi extrem de variate. Este deajuns să ne gândim la utilizarea materialelor supraconductoare în construcţia reţelelor de transport pentru curentul electric sau în instalaţiile electrice din locuinţe. În acest fel, consumul de electricitate s-ar diminua extraordinar. Totuşi, aplicaţiile supraconductibilităţii au întârziat să apară. Deşi s-au identificat multe metale şi aliaje care au această proprietate, ele nu au putut fi folosite pe scară largă. Motivul este simplu: supraconductibilitatea necesită temperaturi foarte joase, ceea ce înseamnă un consum foarte mare de energie. De aceea, bătălia dusă în ultimele decenii a fost în direcţia obţinerii unor aliaje care să fie supraconductoare la temperaturi mai ridicate. Recordul de temperatură a fost obţinut în 1988, însă nu cu un metal sau cu un aliaj de metale, ci cu un material ceramic care s-a dovedit a păstra această proprietate la -148 de grade Celsius!

Mecanismul materiei supraconductibile - aproape de a fi înţeles

În urmă cu o săptămână, o echipă de cercetători de la Universitatea din Upsalla, în cooperare cu Universitatea din Köln, a dat publicităţii câteva rezultate care par să explice foarte bine modul în care temperaturile joase afectează comportarea materialelor. La nivelul structurii atomice a materialului apar anumite fluctuaţii magnetice foarte mici care schimbă proprietăţile macroscopice ale materialului. Anumite excitaţii de natură cuantică, care, în materialele comune şi în condiţii normale de temperatură, sunt foarte slabe, au o intensitate mult mai mare în cazul materialelor cu proprietăţi de supraconductibilitate.

Cercetătorii cred că descoperirea va putea ajuta la înţelegerea proceselor ce fac posibilă supraconductibilitatea la temperaturi mai ridicate şi va putea oferi, în viitor, soluţii pentru construcţia de noi materiale.