Een nieuw soort materie kan tegelijk zowel vast als vloeibaar zijn.
In deze kettinggesmolten toestand verstrengelen gesmolten en vaste lagen op atomair niveau. Onlangs hebben onderzoekers met behulp van computersimulaties virtueel kalium overgehaald tot een kettinggesmolten toestand door het metaal bloot te stellen aan omstandigheden van extreme temperatuur en druk, rapporteerden de wetenschappers in een nieuwe studie.
Bovendien bleef deze dubbele toestand bestaan, zelfs door dramatische veranderingen in de omstandigheden van de experimenten binnen de simulatie. Dit bewijs toonde ook aan dat de kettinggesmolten toestand een stabiele materiaalsoort is en niet slechts een overgang tussen vast en vloeibaar.
Deze experimenten zijn uitgevoerd op atomair niveau in een virtuele omgeving, maar hoe zou het zijn om een object in deze bijzondere staat vast te houden?
"Het zou eruit zien en aanvoelen als een vaste stof, dus je zou het kunnen oppakken, dan zit er een vloeibaar deel in dat zou kunnen lekken", bestudeert co-auteur Andreas Hermann, een lezer in computationele fysica aan de University of Edinburgh's School of Physics en Astronomy in Schotland, vertelde WordsSideKick.com.
'Maar als de vloeistof eenmaal uit het materiaal is verdwenen, smelt een deel van het vaste deel om het weer aan te vullen', zei Hermann.
De onderzoekers hadden in een eerdere studie al aangetoond dat kalium, een zeer reactief metaal, een beetje raar was. Ze toonden aan dat kalium onder hoge druk een ongebruikelijke kristalstructuur vormt van twee verschillende, met elkaar verweven roosters, 'gaande van een heel eenvoudige atomaire opstelling tot iets heel ingewikkelds', zei Hermann.
Voor de nieuwe studie hebben de wetenschappers simulaties uitgevoerd waarbij kalium naast hoge druk aan hoge temperaturen werd onderworpen. Door machine learning in de simulaties op te nemen, nam het aantal atomen - in dit geval 20.000 tegelijk - aanzienlijk toe dat de auteurs van het onderzoek konden testen.
In de nieuwe simulaties deed kalium iets heel vreemds toen de dingen warmer werden. Nadat de atomen een in elkaar grijpende roosterstructuur hadden gevormd, waren de atomen in één rooster sterk met elkaar verbonden en behielden ze een vaste toestand. Maar het signaal van het andere rooster verdween, wat wijst op een stoornis in de atomen, merkten de auteurs van het onderzoek op.
Met andere woorden, deze atomen werden vloeibaar terwijl hun directe atoomburen vast bleven, waardoor een toestand ontstond die noch echt vast noch vloeibaar is, maar een mengsel van beide, 'onderling verbonden op atomair niveau', zei Hermann.
Zodra de kaliummonsters deze dubbele toestand bereikten, bleven ze als gedeeltelijk vloeibaar en gedeeltelijk vast, zelfs nadat de hitte honderden graden was opgedraaid, volgens Hermann.
Andere studies hebben aangetoond dat kalium niet het enige element is dat twee onderling verstrengelde roosters van atomen onder intense druk ontwikkelt, en deze elementen - "buren van kalium en elders op het periodiek systeem" - kunnen mogelijk ook een deelvloeistof bereiken en gedeeltelijk vaste toestand, zei Hermann.
En het machine learning-systeem dat de auteurs van het onderzoek ontwikkelden om kalium te onderzoeken, zou ook kunnen worden gebruikt met andere stoffen, om te ontcijferen hoe extreme omstandigheden deze op atomair niveau beïnvloeden.
"Dit is het bewijs van het principe: een computationeel goedkope techniek die materialen kan beschrijven voor een breed scala aan drukken en temperaturen, waaronder enkele zeer exotische toestanden zoals die waarover we dit artikel schreven", zei Hermann. "Dat is ons doel, om door te gaan naar andere materialen waar we verschillende materiaalkunde gerelateerde vragen kunnen beantwoorden."
De bevindingen zullen online worden gepubliceerd in een aankomend nummer van het tijdschrift Proceedings of the National Academies of Science.
