A maioria das pessoas pode facilmente nomear os três estados clássicos da matéria: líquido, sólido e gasoso. Aqueles que fizeram mais alguns cursos de ciências irão adicionar plasma a essa lista. Mas ao longo dos anos, os cientistas expandiram a nossa lista de possíveis estados da matéria muito além dos quatro grandes. No processo, aprendemos muito sobre o Big Bang, os sabres de luz e um estado secreto da matéria escondido na humilde galinha.
10 Sólidos Amorfos
Os sólidos amorfos são um subgrupo intrigante do bem conhecido estado sólido. Num objeto sólido normal, as moléculas são altamente organizadas e não podem se mover livremente. Isso confere à matéria sólida alta viscosidade, que é uma medida de resistência ao fluxo. Os líquidos, por outro lado, têm uma estrutura molecular desorganizada, permitindo que passem uns pelos outros, respingem e tomem a forma do recipiente em que são mantidos. Um sólido amorfo existe a meio caminho entre esses dois estados da matéria. Num processo conhecido como vitrificação , um líquido esfria e sua viscosidade aumenta a ponto de não fluir mais como um líquido, mas suas moléculas permanecem desordenadas e não formam uma estrutura cristalizada como um sólido normal.
O exemplo mais comum de sólido amorfo é o vidro . Durante milhares de anos, as pessoas fabricaram vidro usando sílica. Quando os fabricantes de vidro resfriam a sílica do estado líquido, ela na verdade não solidifica quando passa abaixo do ponto de fusão. À medida que a temperatura continua a diminuir, a viscosidade aumenta, fazendo com que pareça sólido. No entanto, as moléculas ainda mantêm sua estrutura desorganizada. Neste ponto, o vidro se torna um sólido amorfo. Este processo de transição permitiu aos artesãos criar belas e surreais esculturas de vidro .
Então, qual é a diferença funcional entre um sólido amorfo e um sólido normal? Na vida cotidiana, não muito. O vidro parece completamente sólido até que você o observe em um nível molecular. E não se deixe enganar pelo mito de que o vidro flui como um líquido por longos períodos. Guias turísticos preguiçosos gostam de perpetuar esse mito exibindo vidros antigos nas igrejas, que muitas vezes parecem mais grossos na parte inferior, mas na verdade isso se deve a imperfeições no processo de fabricação do vidro, resultando em vidros irregulares, que foram naturalmente colocados na janela com o lado mais grosso no fundo. No entanto, embora possa não ser muito interessante de se observar, o estudo de sólidos amorfos como o vidro deu aos pesquisadores novos insights sobre as transições de fase e a estrutura molecular.
9 Fluidos Supercríticos
A maioria das transições de fase ocorre sob certos parâmetros de temperatura e pressão. Todo mundo sabe que um aumento na temperatura acabará por transformar um líquido em gás. No entanto, quando a pressão aumenta junto com a temperatura, o líquido salta para o reino dos fluidos supercríticos , que têm propriedades tanto de gás quanto de líquido.
Por exemplo, fluidos supercríticos são capazes de passar através de sólidos como um gás, mas também podem atuar como solventes como um líquido. Curiosamente, um fluido supercrítico pode ser ajustado para ser mais semelhante a um gás ou mais líquido, dependendo da combinação de pressão e temperatura. Isso permitiu que os cientistas criassem uma variedade de aplicações para fluidos supercríticos, variando do extremo ao mundano.
Embora os fluidos supercríticos não sejam tão comuns quanto os sólidos amorfos, você provavelmente ainda acabará interagindo com eles quase com a mesma frequência com que interage com o vidro. O dióxido de carbono supercrítico ganhou popularidade entre as empresas cervejeiras por sua capacidade de atuar como solvente na extração do lúpulo, enquanto as empresas cafeeiras o utilizam para produzir um melhor café descafeinado . Fluidos supercríticos também têm sido usados para criar hidrólise mais eficiente e permitir que usinas de energia funcionem em temperaturas mais altas. Para um estado da questão do qual ninguém ouviu falar, você provavelmente usa subprodutos de fluidos supercríticos todos os dias.
8 Matéria Degenerada
Embora sólidos amorfos ocorram pelo menos no planeta Terra, a matéria degenerada só existe dentro de certos tipos de estrelas. A matéria degenerada existe quando a pressão externa da matéria não é ditada pela temperatura , como na Terra, mas por princípios quânticos complexos, geralmente o princípio de exclusão de Pauli (mais sobre isso daqui a pouco). Por causa disso, a pressão externa da matéria degenerada persistiria mesmo se a temperatura da matéria caísse para zero absoluto. Os dois principais tipos de matéria degenerada são conhecidos como matéria degenerada de elétrons e matéria degenerada de nêutrons.
A matéria degenerada de elétrons existe principalmente em estrelas anãs brancas. A matéria se forma no núcleo da estrela, quando o peso da matéria ao redor do núcleo tenta comprimir os elétrons do núcleo para o estado de energia mais baixo. No entanto, de acordo com o princípio de exclusão de Pauli, duas dessas partículas não podem ocupar o mesmo estado de energia. Assim, as partículas “empurram” o material ao redor do núcleo, criando uma pressão externa devido às leis quânticas que determinam que todos os elétrons no núcleo não podem existir no estado de energia mais baixo. Isto só pode persistir se a massa da estrela for inferior a 1,44 vezes a massa do nosso Sol. Quando uma estrela está acima deste limite (conhecido como limite de Chandrasekhar ) ela simplesmente entrará em colapso em uma estrela de nêutrons ou em um buraco negro.
Quando uma estrela entra em colapso para se tornar uma estrela de nêutrons, ela não possui mais matéria degenerada por elétrons, mas agora consiste em matéria degenerada por nêutrons. Como uma estrela de nêutrons é tão pesada, ela faz com que os elétrons se fundam com os prótons do núcleo, criando nêutrons. Os nêutrons livres (nêutrons não ligados a um núcleo atômico) geralmente têm meia-vida de 10,3 minutos . Mas no núcleo de uma estrela de nêutrons, a massa da estrela permite que os nêutrons existam fora do núcleo, formando matéria degenerada por nêutrons.
Podem existir outras formas exóticas de matéria degenerada, incluindo matéria estranha, que poderia existir numa forma rara de estrela chamada estrela de quark. As estrelas de quarks são o estágio entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro, onde os quarks no núcleo se desacoplam e criam uma sopa de quarks livres. Ainda não observámos este tipo de estrela, mas os físicos continuam a teorizar a sua existência.
7 Superfluido
Voltemos à Terra para discutir o superfluido. Um superfluido é um estado da matéria que existe quando certos isótopos de hélio, rubídio e lítio são resfriados até quase o zero absoluto. Isto é semelhante a um condensado de Bose-Einstein (BEC), mas existem pequenas diferenças. Alguns condensados de Bose-Einstein são superfluidos e alguns superfluidos são condensados de Bose-Einstein, mas nem todos de cada classe se enquadram na outra.
O superfluido mais comum é o hélio líquido. Quando o hélio é resfriado até o “ponto lambda” de 2,17 graus Kelvin, parte do líquido torna-se um superfluido . Quando a maioria das substâncias é resfriada até um certo ponto, a atração entre os átomos superará as vibrações de calor na substância, permitindo que a substância forme uma estrutura sólida. Mas os átomos de hélio interagem entre si tão fracamente que ele pode permanecer líquido até o zero absoluto. Na verdade, a essa temperatura, as características dos átomos individuais se sobrepõem, criando as estranhas propriedades dos superfluidos.
Para começar, um superfluido não possui viscosidade interna . Os superfluidos colocados em um tubo de ensaio começarão a subir pelas laterais do tubo, aparentemente violando as leis da gravidade e da tensão superficial. O hélio líquido vaza com muita facilidade porque pode vazar por qualquer orifício microscópico. Os superfluidos também exibem propriedades termodinâmicas estranhas. Eles têm entropia termodinâmica zero e são infinitamente condutores térmicos. Isso significa que dois superfluidos não podem ter diferencial térmico. Se o calor for introduzido em um superfluido, ele conduzirá tão rapidamente que serão criadas ondas térmicas, uma propriedade que não existe para líquidos normais.
6 Condensado de Bose-Einstein
Os condensados de Bose-Einstein são provavelmente uma das formas obscuras de matéria mais famosas, mas também uma das mais difíceis de entender. Primeiro, temos que entender o que são bósons e férmions. Um férmion é uma partícula com spin meio inteiro (como um elétron) ou uma partícula composta (como um próton). Essas partículas obedecem ao princípio de exclusão de Pauli que faz a matéria degenerada por elétrons funcionar. Um bóson, entretanto, tem um spin inteiro completo e vários bósons podem ocupar o mesmo estado quântico. Os bósons incluem qualquer partícula portadora de força (como fótons), bem como alguns átomos, incluindo nosso amigo hélio-4 e outros gases. Os elementos desta categoria são conhecidos como átomos bosônicos.
Na década de 1920, Albert Einstein utilizou o trabalho do físico indiano Satyendra Nath Bose para propor uma nova forma de matéria. A teoria original de Einstein era que se resfriássemos certos gases elementares a uma fração de Kelvin acima do zero absoluto, suas funções de onda se uniriam para criar um “superátomo”. Tal substância mostraria efeitos quânticos em nível macroscópico. Mas foi só na década de 1990 que existiu a tecnologia para resfriar suficientemente os elementos até a temperatura necessária. Em 1995, os pesquisadores Eric Cornell e Carl Wieman conseguiram coalescer 2.000 átomos em um condensado de Bose-Einstein, que era grande o suficiente para ser visto em um microscópio.
Os condensados de Bose-Einstein estão intimamente relacionados aos superfluidos, mas possuem seu próprio conjunto único de propriedades. O mais chocante é que um BEC pode diminuir a velocidade da luz em relação à sua velocidade normal de 300.000 metros por segundo. Em 1998, a pesquisadora de Harvard Lene Hau conseguiu desacelerar a luz para apenas 60 quilômetros por hora (37 mph) disparando um laser através de uma amostra de BEC em forma de charuto. Em experiências posteriores, a equipa de Hau conseguiu parar completamente a luz num BEC, desligando o laser à medida que este passava pela amostra. Esses experimentos abriram campos totalmente novos de comunicação baseada em luz e computação quântica.
5 Jahn Teller Metals
Os metais Jahn-Teller são os mais novos no bloco de estados da matéria, e os pesquisadores só os criaram com sucesso pela primeira vez em 2015. Se confirmado por outros laboratórios, o experimento pode mudar o mundo como o conhecemos, uma vez que os metais Jahn-Teller têm propriedades de isolante e supercondutor.
Pesquisadores liderados pelo químico Kosmas Prassides fizeram experiências pegando moléculas de carbono-60 (coloquialmente conhecidas como buckyballs) e inserindo rubídio na estrutura, o que forçou as moléculas de carbono-60 a assumirem uma nova forma . O metal recebeu o nome do efeito Jahn-Teller, que descreve como a pressão pode alterar a forma geométrica das moléculas para novas configurações eletrônicas. Na química, a pressão não é alcançada apenas pela compressão de algo, mas também pela adição de novos átomos ou moléculas a uma estrutura pré-existente, alterando suas propriedades fundamentais.
Quando a equipe de pesquisa de Prassides começou a inserir rubídio nas moléculas de carbono-60, as moléculas de carbono passaram de isolantes a supercondutores. Porém, devido ao efeito Jahn-Teller, as moléculas tentaram permanecer na configuração antiga, o que criou uma substância que parece ser um isolante, mas que possui propriedades elétricas de um supercondutor . A transição entre um isolante e um supercondutor nunca havia sido vista até que esses experimentos ocorressem.
O que é realmente interessante sobre os metais de Jahn-Teller é que eles se tornam supercondutores em altas temperaturas (–135 graus Celsius, em oposição a –243,2 graus Celsius). Isto os aproxima de níveis gerenciáveis para produção e experimentação em massa. Se as afirmações estiverem corretas, estamos muito mais próximos da produção em massa de materiais que conduzem eletricidade sem resistência – não produzindo calor, som ou libertação de energia – revolucionando assim a produção e o transporte de energia.
4 Matéria Fotônica
Durante décadas, a sabedoria convencional por trás dos fótons era que eles eram partículas sem massa que não interagiam entre si. No entanto, ao longo dos últimos anos, investigadores do MIT e de Harvard descobriram novas formas de fazer a luz parecer ter massa – e até criaram “ moléculas de luz ” que ricocheteiam umas nas outras e se unem. Se isso parece chato, considere que é essencialmente o primeiro passo para criar um sabre de luz.
A ciência por trás da matéria fotônica é um pouco complexa, mas persista. (Lembre-se, sabres de luz .) Os pesquisadores começaram a criar matéria fotônica por meio de experimentos com gás rubídio super-resfriado. Quando um fóton é disparado através do gás, ele desvia e interage com as moléculas de rubídio, perdendo energia e desacelerando. Eventualmente, o fotão emerge da nuvem de gás significativamente mais lento, mas com a sua identidade intacta.
As coisas começam a ficar estranhas quando você dispara dois fótons através do gás, o que causa um fenômeno conhecido como bloqueio de Rydberg. Quando um átomo é excitado por um fóton, os átomos próximos não podem ser excitados no mesmo grau. Essencialmente, o átomo excitado atrapalha os fótons. Para que um átomo circundante seja excitado pelo segundo fóton, o primeiro fóton deve avançar através do gás. Os fótons geralmente não interagem entre si, mas quando enfrentam um bloqueio de Rydberg, eles empurram uns aos outros através do gás, trocando energia e interagindo entre si ao longo do caminho. De uma perspectiva externa, esses fótons parecem ter massa e agir como uma única molécula, embora ainda não tenham massa. Quando os fótons emergem do gás, eles parecem estar unidos, como se fossem uma molécula de luz que pode ser desviada e moldada.
As aplicações práticas da matéria fotônica ainda estão muito distantes, mas o pesquisador Mikhail Lukin já tem uma lista completa de usos possíveis, que vão desde a computação até a criação de cristais 3-D completamente fora da luz e, sim, a fabricação de sabres de luz.
3 Hiperuniformidade Desordenada
Ao tentar decidir se uma substância é um novo estado da matéria, os cientistas analisam a estrutura da substância, bem como as suas propriedades. Em 2003, Salvatore Torquato e Frank H. Stillinger, da Universidade de Princeton, propuseram um novo estado da matéria conhecido como hiperuniformidade desordenada . Embora isso possa parecer um oxímoro, a ideia era que o novo tipo de matéria pareceria desordenado quando visto de perto, mas hiperuniforme e estruturado a longo prazo. Essa matéria teria propriedades tanto de cristal quanto de líquido. No início, isto parecia ocorrer apenas em plasmas simples e no nosso hidrogénio líquido, mas recentemente os investigadores encontraram um exemplo natural no lugar mais improvável: o olho de uma galinha .
As galinhas têm cinco cones nos olhos. Quatro detectam cores e um detecta níveis de luz. No entanto, ao contrário do olho humano ou dos olhos hexagonais dos insetos, esses cones parecem estar dispersos aleatoriamente, sem nenhuma ordem real. Isso ocorre porque os cones no olho de uma galinha possuem uma zona de exclusão ao seu redor que não permite que dois cones do mesmo tipo fiquem próximos um do outro. Devido à zona de exclusão e ao formato dos cones, eles são incapazes de formar uma estrutura cristalina ordenada (como aquelas que encontramos nos sólidos), mas quando todos os cones são vistos como um todo, verifica-se que na verdade eles têm uma estrutura altamente ordenada. padrão, como pode ser visto nestas fotos de Princeton. Assim, podemos descrever os cones no olho de uma galinha como sendo líquidos quando vistos de perto e sólidos quando vistos de longe. Isto é diferente dos sólidos amorfos mencionados acima, pois um material hiperuniforme agirá como um líquido, enquanto um sólido amorfo não.
Os cientistas ainda estão investigando este novo estado da matéria, que pode na verdade ser mais comum do que se pensava inicialmente. No momento, os pesquisadores de Princeton estão estudando o uso de materiais hiperuniformes para criar estruturas auto-organizadas e detectores de luz voltados para comprimentos de onda muito específicos.
2 Líquido String-Net
Que estado da matéria é o vácuo do espaço? A maioria das pessoas não pensou muito nessa questão, mas na última década Xiao-Gang Wen, do MIT, e Michael Levin, de Harvard, propuseram um novo estado da matéria que poderia ser a chave para a descoberta de partículas fundamentais além do elétron.
O caminho para o desenvolvimento do modelo líquido de rede começou em meados dos anos 90, quando uma equipa de cientistas propôs o que chamaram de “quase-partículas”, o que parecia ocorrer numa experiência em que electrões passavam entre dois semicondutores. Isso causou um grande rebuliço, já que as quase-partículas agiam como se tivessem carga fracionária, algo que a física da época considerava impossível . A equipe pegou esses dados e propôs que o elétron não era uma partícula fundamental do universo e que havia mais partículas fundamentais que ainda não havíamos descoberto. O seu trabalho valeu-lhes o Prémio Nobel, mas mais tarde descobriu-se que os seus resultados foram causados por um erro na experiência. A ideia de uma “quase partícula” desapareceu.
Mas alguns pesquisadores não desistiram totalmente. Wen e Levin pegaram no trabalho sobre “quase-partículas” e propuseram um novo estado da matéria conhecido como rede de cordas. Este estado da matéria teria o emaranhamento quântico como propriedade básica. Muito parecido com a hiperuniformidade desordenada, se você olhasse de perto uma rede de cordas, ela pareceria ter um conjunto desordenado de elétrons. No entanto, olhando para toda a estrutura, você veria que ela era altamente ordenada devido às propriedades de emaranhamento quântico dos elétrons. Wen e Levin ampliaram então seu trabalho para abranger outras partículas e propriedades de emaranhamento.
Quando modelos computacionais foram executados no novo estado da matéria, Wen e Levin descobriram que a ponta de uma rede poderia produzir as várias partículas subatômicas que passamos a amar, incluindo a lendária “quase-partícula”. Ainda mais chocante, descobriram que quando as redes vibravam, o faziam de acordo com as equações de Maxwell, que governam a luz. Nos seus artigos, Wen e Levin propuseram que o espaço está preenchido com redes de partículas subatómicas emaranhadas e que as extremidades destas “cordas” são as partículas subatómicas que vemos. Eles também propuseram que esse líquido em forma de rede é o que faz com que a luz exista. Se o vácuo do espaço fosse preenchido com uma rede líquida, isso nos permitiria unificar matéria e luz.
Tudo isto pode parecer muito rebuscado, mas em 1972 (décadas antes da proposta da rede de cordas) os geólogos descobriram um estranho mineral no Chile conhecido como herbertsmithite. Dentro do mineral, os elétrons formam estruturas triangulares, o que parece contradizer o que sabemos sobre como os elétrons interagem entre si. No entanto, esta estrutura triangular é prevista pelo modelo de rede de cordas, e os investigadores têm trabalhado com herbertsmithite artificial para tentar provar que o modelo é preciso. Infelizmente, o júri ainda não decidiu se este estado teórico da matéria realmente existe.
1 Plasma Quark-Glúon
Para o nosso último estado obscuro da matéria, vamos olhar para trás, para o estado da matéria que todos nós começamos: plasma de quark-gluon. Na verdade, o universo primitivo era um estado da matéria completamente diferente dos nossos estados clássicos. Mas primeiro, uma rápida explicação.
Quarks são as partículas elementares que encontramos dentro dos hádrons (como prótons e nêutrons). Os hádrons são compostos de três quarks ou de um quark e um antiquark. Os quarks têm cargas fracionárias e são mantidos juntos por glúons, que são as partículas de troca da força nuclear forte.
Não vemos quarks livres na natureza, mas logo após o Big Bang, quarks e glúons livres existiram por um milissegundo. Durante esse período, a temperatura do universo era tão alta que os quarks e os glúons mal interagiam entre si enquanto se moviam perto da velocidade da luz. Durante este período de tempo, o universo era inteiramente composto por este plasma quente de quark-glúon . Depois de outra fração de segundo, o universo teria esfriado o suficiente para permitir a formação de partículas pesadas, como os hádrons, e os quarks começaram a interagir com os glúons e entre si. A partir deste ponto, o universo como o conhecemos começou a se formar, com hádrons ligando-se a elétrons para criar átomos primitivos.
Na fase atual do universo, os cientistas tentaram recriar o plasma quark-glúon em grandes aceleradores de partículas. Durante estas experiências, partículas pesadas como os hádrons são colididas umas com as outras, criando temperaturas que permitem que os quarks se desacoplem por um breve período. A partir destas primeiras experiências, já aprendemos sobre algumas das propriedades do plasma de quark-glúon, que aparentemente era completamente sem atrito e mais próximo de um líquido do que a nossa compreensão normal dos plasmas. À medida que os investigadores continuarem a fazer experiências com este estado exótico da matéria, aprenderemos cada vez mais sobre como e porquê o nosso universo se formou daquela forma.
