Disordered Hyperuniformity - The State of Matter Found in a Chicken's Eye

Disordered Hyperuniformity - The State of Matter Found in a Chicken's Eye

Ondanks wat je op het gymnasium hebt geleerd, wel manier meer dan vier toestanden van materie. Een mogelijke nieuwe, ongeordende hyperuniformiteit, werd onlangs gevonden op de raarste plaats - de ogen van kippen.

Klassieke Staten van Materie 

Om een ​​exotische staat van materie, zoals verstoorde hyperuniformiteit, beter te begrijpen, kan het nuttig zijn om de kenmerken van de klassieke toestanden van materie te herzien: vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma's. 

Meestal wordt elk gedefinieerd op basis van de dichtheid en structuur van de componentdeeltjes:

Solids 

Materie in deze toestand behoudt zijn vorm, ongeacht de houder ervan, en de samenstellende deeltjes zijn stevig aan elkaar gepakt. Er zijn twee hoofdtypen vaste stoffen:

Amorfe vaste stoffen hebben ontregelde structuren zoals vloeistoffen, maar zijn stevig en houden hun vormen vast zoals andere vaste stoffen. Amorfe vaste stoffen hebben slechts een "beperkte, gelokaliseerde volgorde in de buurt van hun structurele eenheden", maar geen langeafstandsvolgorde. Voorbeelden zijn glas, plastic, mayonaise en modder.

Kristallijne vaste stoffen hebben goed geordende, stijve structuren, houden hun vormen "over lange atomaire afstanden" en hebben daarom een ​​langeafstandsvolgorde. Voorbeelden zijn ijs, zout en koolstof.

vloeistoffen 

Omdat deeltjes dicht bij elkaar zijn gepakt maar geen geordende structuur hebben, zullen vloeistoffen, in tegenstelling tot amorfe vaste stoffen, vrij stromen en geen vorm aannemen (op zichzelf). Deze materiaaleigenschap heeft een constant volume en zal zich aanpassen aan de vorm van de containers. Voorbeelden zijn water, melk en sap.

Een interessante variant die bestaat in "een tussentoestand. . . tussen de kristallijne vaste toestand en de vloeibare toestand "zijn vloeibare kristallen. Dit type materie heeft een lange-afstandsvolgorde, maar vloeit ook als een vloeistof. Voorbeelden zijn enkele zeepoplossingen, oppervlakteactieve stoffen en cholesterolester.

gassen 

Materie in deze staat heeft geen gestructureerde opstelling en zal als een vloeistof de vorm aannemen van zijn container, maar zal zich in tegenstelling tot een vloeistof uitbreiden om deze te vullen. De deeltjes in een gas zijn los verpakt, en dus kan een gas worden gecomprimeerd. Voorbeelden van gassen omvatten lucht en zuurstof.

Plasma

Net als gas heeft plasma geen vaste structuur of een bepaald volume; In tegenstelling tot gas zijn plasmamoleculen echter elektrisch geladen. Daarom kunnen plasma's magnetische elektrische stromen en magnetische velden produceren, evenals elektriciteit geleiden. Voorbeelden van plasma's zijn bliksem en de ionosfeer van de aarde.

Exotische Staten van Materie

Materie die in deze toestanden bestaat, is onder normale omstandigheden niet waarneembaar. Voorbeelden van exotische toestanden zijn Bose-Einstein-condensaten, gedegenereerde materie, supervloeistoffen en, volgens sommigen, verstoorde hyperuniformiteit.

Ongeordende hyperuniformiteit

Deze staat wordt gekenmerkt door zijn "verborgen volgorde" dat:

Gedraagt ​​zich als kristallen en vloeibare toestanden van materie, die orde over grote afstanden vertoont en wanorde over kleine afstanden. Net als kristallen onderdrukken deze toestanden variaties in de dichtheid van deeltjes sterk. . . over grote ruimtelijke afstanden zodat de opstelling zeer uniform is. Tegelijkertijd . . . [deze] systemen lijken op vloeistoffen omdat ze dezelfde fysieke eigenschappen hebben in alle richtingen.

Voorbeelden van deze aandoening zijn gevonden in "vloeibaar helium, eenvoudige plasma's en dicht gepakte korrels" evenals de netvlies van kippen.

Kippenogen

Om het zicht te optimaliseren, moeten de cellen die licht waarnemen, worden gerangschikt in een array die de verschillende cellen toestaat "gelijkmatig binnenkomend licht te bemonsteren om een ​​nauwkeurige weergave van de visuele scène te produceren." Het beste arrangement gevonden in het dierenrijk is de zeshoekige reeks samengestelde ogen van insecten. De ogen van kippen kunnen echter niet zo'n geordend systeem huisvesten.

Opmerkelijk complex, in tegenstelling tot menselijke ogen die slechts drie soorten kegeltjes in het netvlies hebben, hebben diurnale vogels er vijf:

Vier afzonderlijke kegels, die tetrachromatisch kleurenbeeld ondersteunen [meer golflengten en misschien zelfs kleuren zien dan mensen] en een dubbele kegel, waarvan wordt aangenomen dat het achromatische [geen kleur] bewegingsperceptie veroorzaakt.

Vanwege hun verschillende afmetingen en samenstelling kunnen de vijf kegeltjes in de ogen van kippen (een voor groen, blauw, rood en violet, evenals de kegel die "helderheid" detecteert) niet bestaan ​​in een optimale geordende opstelling of reeks. Integendeel, hun verspreiding lijkt onregelmatig, maar niet willekeurig:

De individuele kegelpatronen in het netvlies van de vogel zijn zodanig gerangschikt dat kegels van een type bijna nooit in de onmiddellijke nabijheid van andere kegels van hetzelfde type voorkomen. Op deze manier bereikt de vogel een veel meer uniforme rangschikking van elk van de kegeltypen dan zou bestaan ​​in een willekeurig (Poisson) puntenpatroon.

Toen ze deze toestand als verwarrend vonden, vielen wetenschappers recent het probleem aan met "een verscheidenheid aan gevoelige microstructurele descriptoren die ontstaan ​​in de statistische mechanica en de theorie van de deeltjesverpakking," (of zoals ik het noem - wiskunde en wetenschap) en ze ontdekten:

Een opmerkelijk type gecorreleerde aandoening op grote lengteschalen, bekend als hyperuniformiteit. . . [waar] de fotoreceptor [kegels] patronen van zowel de totale populatie [alle kegeltypen] als de individuele celtypen [violet, rood, blauw, groen en luminantie] zijn tegelijkertijd hyperuniform, wat we multihyperuniformiteit noemen. . . .

Dit betekent dat alle vijf typen kegels, samen genomen, een hyperuniforme opstelling hebben, en de opstelling van elk kegeltype, wanneer apart beschouwd, is ook hyperuniform. De onderzoekers vermoedden daarom dat de individuele leden van elk kegeltype 'subtiel verbonden moeten zijn door uitsluitingsregio's, die ze gebruiken om zichzelf te organiseren in patronen'.

De auteurs van het onderzoek concludeerden dat, gezien de variatie in de kegels, dit patroon het beste van een slechte situatie maakt:

Omdat de kegels van verschillende grootten zijn, is het niet gemakkelijk voor het systeem om in een kristal of geordende staat te gaan. Het systeem is gefrustreerd door het vinden van wat de optimale oplossing zou kunnen zijn. . . de typisch geordende opstelling. Hoewel het patroon verstoord moet zijn, moet het zo uniform mogelijk zijn. Aldus is ongeordende hyperuniformiteit een uitstekende oplossing.

Laat Een Reactie Achter