Επιστήμονες κατέγραψαν την κίνηση των ατόμων στις 4 διαστάσεις

Οι μεταβάσεις των υλικών μεταξύ των καταστάσεων τους είναι ένα σύνολο φαινομένων που έχει παρατηρηθεί εκτενέστατα και οι θεωρίες που το περιγράφουν καλά εδραιωμένες εδώ και πάρα πολλά χρόνια.

Με απλά λόγια, είμαστε αρκετά σίγουροι για το πως τήκονται, το πως παγώνουν και το πως εξατμίζονται τα διάφορα υλικά (όπως και για την πήξη, την απόθεση και την υγροποίηση).

Θα μπορούσαν να αλλάξουν κάποιες τόσο θεμελιώδεις γνώσεις;

Η απάντηση φαντάζει πως είναι “όχι”, αλλά η ερευνητική ομάδα του UCLA έρχεται να μας πει το αντίθετο.

Οι επιστήμονες αυτοί κατάφεραν για πρώτη φορά να απαθανατίσουν την κίνηση των ατόμων στις 4 διαστάσεις καθώς το υλικό μετέβαινε μεταξύ δύο καταστάσεων. Με απλά λόγια, κάνουμε λόγο για τις 3 χωρικές διαστάσεις και την διάσταση του χρόνου, δηλαδή μπόρεσαν να παρατηρήσουν τι συμβαίνει πλήρως σε αυτό το φαινόμενο με την πάροδο του χρόνου.

Τα αποτελέσματα ήταν απρόσμενα καθώς αντιβαίνουν με όσα γνωρίζουμε από τις κλασικές θεωρίες σχετικά με την πυρήνωση (nucleation), δηλαδή όταν τα άτομα αρχίζουν να αλλάζουν μορφή-κατάσταση.

Η πυρήνωση κατέχει ένα σημαντικότατο ρόλο σε περίπλοκες διαδικασίες αρκετά διαφορετικές μεταξύ τους, από τον σχηματισμό των σύννεφων μέχρι τις διαδικασίες πίσω από τις νευροεκφυλιστικές παθήσεις.

Η ομάδα βασίστηκε σε μελέτες που είχαν γίνει στο παρελθόν, για την χαρτογράφηση των ατόμων ενός σώματος. Η μέθοδος ονομάζεται ατομική ηλεκτρονική τομογραφία (atomic electron tomography).

Έτσι λοιπόν, χρησιμοποίησαν το τελευταίας τεχνολογίας 3D ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (3D electron microscope) του Berkeley Lab’s Molecular Foundry, για να εξετάσουν ένα κράμα σιδήρου-λευκόχρυσου το οποίο είχε κοπεί σε νανοσωματίδια μήκους 1/10.000 της ανθρώπινης τρίχας.

Αυτά με την σειρά τους θερμάνθηκαν στους 520 βαθμούς Κελσίου/Celsius (968 βαθμούς Fahrenheit), κάνοντας τα να μεταβούν από την μία στερεή τους κατάσταση σε μία άλλη.

Οι τρισδιάστατες φωτογραφίες τραβήχτηκαν στο 9ο, στο 16ο και στο 26ο λεπτό μετά την θέρμανση τους, ενώ το δείγμα περιστρεφόταν μέσα στο μικροσκόπιο.

Η μέθοδος θυμίζει το πως λειτουργεί ο αξονικός τομογράφος, που παράγει μία τρισδιάστατη ακτινογραφία του ανθρώπινου σώματος, αφού με παρόμοιο τρόπο δημιουργεί τρισδιάστατες εικόνες των ατόμων ενός υλικού.

Με την βοήθεια εξειδικευμένων αλγορίθμων παρακολούθησαν 33 συγκεκριμένους πυρήνες (nuclei – μικροσκοπικές ομάδες ατόμων – στην συγκεκριμένη περίπτωση είχαν μήκος 13 ατόμων περίπου) που βρίσκονταν σε ένα συγκεκριμένο νανοσωματίδιο.

Όπως ανέφερε σε μία δήλωση του ο καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας του UCLA, Jianwei “John” Miao, “Οι άνθρωποι πιστεύουν ότι είναι δύσκολο να βρει κανείς μία βελόνα μέσα στα άχυρα. Πόσο δύσκολο θα ήταν όμως να βρεις το ίδιο ακριβώς άτομο ανάμεσα σε ένα τρισεκατομμύριο άτομα 3 διαφορετικές χρονικές στιγμές;”

Όπως αναμενόταν, το κράμα αν και φαινόταν να έχει παραμείνει ίδιο στο γυμνό μάτι, άλλαξε από μία ελαφρώς τυχαία κατάσταση σε μία όπου τα άτομα του σιδήρου και του λευκόχρυσου ήταν προσεκτικά ευθυγραμισμένα.

Το μείζον ζήτημα είναι το γεγονός ότι οι πυρήνες πήραν ακανόνιστα σχήματα αντί για τέλεια σφαιρικά όπως προβλέπουν οι υπάρχουσες θεωρίες. Επίσης, αντί να εμφανίσουν πιο αιχμηρό σύνορο, η διάταξη των ατόμων ήταν περισσότερο μπερδεμένη κοντά στην επιφάνεια.

Τέλος, η κλασική θεωρία αναφέρει και ότι όταν ένας πυρήνας υλικού αποκτήσει ένα συγκεκριμένο μέγεθος, τότε αυξάνει το μέγεθος του. Αλλά η διαδικασία φαίνεται να είναι πιο περίπλοκη. Οι πυρήνες διογκώνονταν, συρρικνώνονταν, διαιρόντουσαν και συγχωνεύονταν. Κάποιοι μάλιστα διαλύονταν τελείως.

Αν και τα αποτελέσματα αυτά φαίνονται αρκετά απόμακρα και ξένα, και δεν φαίνεται να έχουν κάποιο ενδιαφέρον, είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται η πυρήνωση. Η συγκεκριμένη διαδικασία είναι ένα άλυτο πρόβλημα σε αρκετά επιστημονικά πεδία, όπως αναφέρει ένας από τους συγγραφείς, Peter Ercius.

Η συγκεκριμένη έρευνα προσφέρει άμεσες αποδείξεις για το γεγονός ότι η κλασική θεωρία δεν περιγράφει αυτά τα φαινόμενα με ακρίβεια σε ατομικό επίπεδο.

Σίγουρα αυτά τα ευρήματα θα επηρεάσουν αρκετούς ερευνητικούς τομείς στην Φυσική, την Χημεία, την Επιστήμη Υλικών, τις Περιβαλλοντικές Επιστήμες και τις Νευροεπιστήμες.

Πηγές

• www.engadget.com – Scientists capture 4D atomic movement in breakthrough experiment
• newsroom.ucla.edu – Atomic motion is captured in 4D for the first time

Μοιραστείτε το άρθρο