? ? 當(dāng)向試管中投入一小粒金屬鉀后，這顆金屬鈉會(huì)劇烈地移動(dòng)——熔化，嘶嘶作響，甚至跳躍，變成氫氣泡和氫氧化鉀?？茖W(xué)家證實(shí)，在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认拢@種金屬可以同時(shí)保持固體和液體狀態(tài)?！斑@有點(diǎn)奇怪，”該研究的合作者、愛丁堡大學(xué)的Andreas Hermann說。
固體、液體、氣體……其它狀態(tài)？雖然大多數(shù)人小學(xué)時(shí)只知道物質(zhì)的三種狀態(tài)，但物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種可在極端的溫度和壓力條件下存在的奇異物質(zhì)狀態(tài)。
最近，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用一種人工智能證實(shí)了一種新物質(zhì)狀態(tài)的存在。在這種狀態(tài)下，鉀原子同時(shí)表現(xiàn)出固態(tài)和液態(tài)的特性。如果你能找到一大塊這類物質(zhì)，它可能看起來就像一個(gè)滲漏熔融鉀的固體塊，最終全部溶解。
“這就像是拿著一塊滴水的海綿，而海綿也是水做的，”研究合作者、愛丁堡大學(xué)的凝聚態(tài)物理者Andreas Hermann說，其研究團(tuán)隊(duì)在本周的《美國國家科學(xué)院院刊》上介紹了新研究。
在地幔的天然條件下，可能會(huì)存在這種異常狀態(tài)的鉀，但這種元素通常不是以單質(zhì)形式存在，而是與其他物質(zhì)結(jié)合在一起。類似的模擬研究可以幫助科學(xué)家探索其他礦物質(zhì)在這種極端環(huán)境下的行為特征。
滲漏的晶體
在微觀層面，像鉀這樣的金屬，其原子排列特征顯而易見。當(dāng)被打造成一根固體棒時(shí)，鉀原子會(huì)排列成排，很容易導(dǎo)熱和導(dǎo)電。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，研究人員認(rèn)為他們可以很輕易地預(yù)測(cè)這些晶體結(jié)構(gòu)在巨大壓力下會(huì)發(fā)生什么變化。
不過，大約15年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鈉（一種與鉀性質(zhì)相似的金屬）在被壓縮時(shí)出現(xiàn)了一些奇怪的變化。在兩萬個(gè)地球表面氣壓下，鈉從銀白色的固體變成了一種透明的物質(zhì)，這種物質(zhì)不僅不導(dǎo)電，反而會(huì)阻止電流流動(dòng)?？茖W(xué)家通過x射線探測(cè)鈉后發(fā)現(xiàn)，其原子組成了復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，而不是單一的晶體結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家對(duì)鉀也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。在類似的極限壓力下，鉀的原子會(huì)排列成一種復(fù)雜的形態(tài)——5個(gè)柱形管構(gòu)成的X形，其中4條長(zhǎng)鏈位于X形的彎曲部分，看起來就像兩個(gè)獨(dú)立的、互不交織的物質(zhì)。
“不知道什么原因，這些鉀原子組合成了兩個(gè)結(jié)構(gòu)松散的亞晶格，”Hermann說。不過，當(dāng)科學(xué)家提高溫度后，x射線像顯示四個(gè)鏈消失了，研究人員對(duì)究竟是怎么回事進(jìn)行了爭(zhēng)論。
為了尋找答案，Hermann和同事們使用了一種被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能來進(jìn)行模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種人工智能機(jī)器，能夠根據(jù)先前的例子來學(xué)習(xí)如何預(yù)測(cè)行為。研究者使用少量鉀原子對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深入掌握了量子力學(xué)，足以模擬包含上萬個(gè)鉀原子集合的行為特征。
計(jì)算機(jī)模型證實(shí)，在大約20000-40000倍大氣壓和127℃-527℃的溫度下，鉀進(jìn)入了所謂的鏈融態(tài)。在這種狀態(tài)下，鉀中的鏈溶解成液體，而剩余的鉀晶體則保持固態(tài)。
這是科學(xué)家首次證明任何元素在這種狀態(tài)下都能保持熱力學(xué)穩(wěn)定性。
該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可能有助于模擬其他物質(zhì)的行為，Marius Millot說，他在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的極端條件下研究材料。
“宇宙中的大部分物質(zhì)都處于高壓和高溫下，比如行星和恒星的內(nèi)部，”他補(bǔ)充道。
奇異狀態(tài)
現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)確定了鉀的“鏈熔融相”，除了已知的氣體、液體和固體等常見物質(zhì)狀態(tài)之外，還有以下幾種其他不尋常物質(zhì)狀態(tài)：
等離子體：一種過熱的氣體，氣體的原子核與電子分離，這意味著它們可以產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。
玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)：只有在接近絕對(duì)零度時(shí)才會(huì)形成，這種物質(zhì)中的所有原子會(huì)像單個(gè)粒子一樣活動(dòng)。
超導(dǎo)體：當(dāng)某些金屬被冷卻到低溫時(shí)，電流可以毫無阻力在其中穿過。
超流體：一種液體冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，可以自由流動(dòng)，完全沒有摩擦力，甚至可以沿著容器的側(cè)面向上流動(dòng)，然后滴到外面。
簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)：這種物質(zhì)只發(fā)現(xiàn)于白矮星和中子星的極高壓下，白矮星和中子星是兩種死亡恒星。
夸克-膠子等離子體：質(zhì)子和中子溶解成其組成成分夸克的一種狀態(tài)，夸克可以在攜帶強(qiáng)作用力的膠子之間自由運(yùn)動(dòng)。
【科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)形態(tài)：既是固體又是液體的物質(zhì)】相關(guān)文章：
★ 科學(xué)家解開宇宙超大質(zhì)量黑洞形成機(jī)制之謎
★ 邢質(zhì)斌退休是一個(gè)時(shí)代的結(jié)束
★ 天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)疑似宜居星球
★ 歐空局發(fā)現(xiàn)：南極威爾金斯冰架面臨崩塌
