Ученые впервые показали, что калий может существовать одновременно в твердом и жидком состояниях

Известно, что материя способна принимать разные формы, и большинство из нас знакомы с основными тремя ее состояниями: твердым, жидким и газообразным. Теперь ученые впервые обнаружили, что материя может существовать одновременно в двух из этих состояний. В частности, при определенных условиях металл калий может быть твердым и жидким одновременно — такого состояния специалистам удалось добиться, воздействовав на вещество посредством экстремальных давления и температуры.

«Это все равно что держать губку, наполненную водой, которая начинает капать, за исключением того, что губка также состоит из воды», — комментирует открытие соавтор исследования, физик Андреас Херманн (Andreas Hermann) из Эдинбургского университета. Сама статья с результатами работы опубликована в журнале PNAS.

Необычное состояние калия может существовать в условиях, обнаруженных в мантии Земли, но элемент, как правило, не находится в чистом виде и связан с другим материалом.

Калий — довольно простое вещество на микроскопическом уровне. Этот металл имеет чистую, несложную кристаллическую решетчатую структуру в своей твердой форме. Но в экстремальных условиях с простыми металлами могут происходить необычные вещи. Так, при давлении, в 20 тысяч раз превышающем давление на поверхности Земли, натрий превращался из серебристого вещества в прозрачный материал, который не проводил электричество, а скорее препятствовал его течению. Исследуя натрий с помощью рентгеновских лучей, ученые обнаружили, что его атомы приняли сложное кристаллическое образование вместо простого. В свою очередь, литий при высоком давлении и низкой температуре становится сверхпроводником. 

Предыдущие эксперименты с калием при высоком давлении показали, что его атомы организуются в более сложную формацию — пять цилиндрических трубок, организованных в крестообразной форме, с четырьмя длинными цепями на изгибах, — почти как два отдельных и не пересекающихся друг с другом материала.

По словам Херманна, каким-то образом эти атомы калия решили разделиться на две слабо связанные подрешетки. Когда же ученые значительно повысили температуру и взглянули на вещество с помощью рентгена, то обнаружили, что четыре цепочки исчезли. Исследователи назвали это «переходом плавления цепи», который, как считается, происходит при переходе цепей калия из упорядоченного в неупорядоченное состояние.

Чтобы попытаться выяснить, почему это происходит, специалисты использовали мощные компьютерные симуляции для наблюдения за поведением около 20 тысяч атомов калия в экстремальных условиях. Когда давление и температура достаточно высоки — около двух-четырех гигапаскалей, — атомы калия располагаются в виде взаимосвязанных цепочек и решеток. Химические взаимодействия между атомами решетки достаточно сильны, поэтому остаются упорядоченным твердым веществом при температуре от 400 до 800 кельвинов, однако вместе с тем цепочки тают в неупорядоченном жидком состоянии.

Команда ученых называет новое агрегатное состояние «фазой расплавленной цепи» и полагает, что она может существовать и в других материалах, включая натрий и висмут, при определенных условиях, которые, вероятно, отличаются от условий, необходимых для создания этого состояния у калия.

«Калий считается одним из самых простых металлов, которые мы знаем, но, если его сжать, он образует очень сложные структуры. Мы показали, что это необычное, но стабильное состояние — частично твердое и частично жидкое, — а воссоздание его в других материалах может получить самое широкое применение», — утверждает Херманн.