Disordered Hyperuniformity - Az Anyagállapot megtalálható a csirke szemében

2024 Szerző: Sherilyn Boyd | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 09:39

Annak ellenére, amit a gimnáziumban tanultak, vannak út több mint négy anyagállapot. Az egyik lehetséges új, rendezetlen hiperuniformitást a közelmúltban találták a legfurcsább helyen - a csirkék szemében.

Klasszikus anyagállapotok

Ahhoz, hogy jobban megértsük az anyag egzotikus állapotát, mint a rendezetlen hiperuniformitást, hasznos lehet megvizsgálni az anyag klasszikus állapotainak jellemzőit: szilárd anyagokat, folyadékokat, gázokat és plazmákat.

Tipikusan mindegyiket a komponensrészecskék sűrűségének és szerkezetének megfelelően határozzuk meg:

Szárazanyag

Az anyag ebben az állapotban megtartja a formáját függetlenül attól, hogy a tartály, és a komponens részecskék szorosan össze vannak csomagolva. A szilárd anyagok két fő típusa létezik:

Az amorf szilárd anyagok olyan rendezetlen szerkezetek, mint a folyadékok, de szilárdak és formájuk olyan, mint más szilárd anyagok. Az amorf szilárdanyagoknak csak "korlátozott, lokalizált rendje van a szerkezeti egységeik közelében", de nem hosszú távú rend. Ilyenek például az üveg, a műanyag, a majonéz és az iszap.

A kristályos szilárd anyagok jól rendezett, merev szerkezetűek, "hosszú hosszúságú atomoktól" tartják alakjukat, és ezért hosszú távú rendtartásról van szó. A példák közé tartoznak a jég, a só és a szén.

folyadékok

Mivel a részecskék egymáshoz szorosan össze vannak kötve, de nincsenek rendezett szerkezetek, az amorf szilárd anyagokkal ellentétben a folyadékok szabadon áramlanak, és nem rendelkeznek formában (önmagukban). Ez az anyagállapot állandó térfogattal rendelkezik, és megfelel a tartályainak alakjának. Például a víz, a tej és a gyümölcslé.

Egy érdekes változat, amely "köztes állapotban létezik"… a kristályos szilárd állapot és a folyékony állapot között "folyadékkristályok. Ez a fajta anyag hosszú távú rendben van, de folyadékként is folyik. Ilyenek például a szappanoldatok, a felületaktív anyagok és a koleszterin-észter.

gázok

Az anyag ebben az állapotban nincs strukturált elrendezésben, és mint egy folyadék, a konténer alakját veszi fel, de a folyadéktól eltérően a kitöltéshez is kibővül. A gázrészecskék laza csomagolásúak, és így egy gáz is préselhető. A gázokra példaként említhető a levegő és az oxigén.

vérplazma

A gázhoz hasonlóan a plazmának sem meghatározott szerkezete, sem meghatározott mennyisége nincs; azonban a gázzal ellentétben a plazmamolekulák elektromosan töltődnek. Ezért a plazmák képesek mágneses elektromos áramokat és mágneses mezőket létrehozni, valamint áramot vezetni. A plazmákra példaként említhető a villám és a Föld ionoszférája.

Egzotikus államok a lényeg

Az ilyen állapotokban létező anyag normál körülmények között nem megfigyelhető. Példák az egzotikus állapotokra a Bose-Einstein kondenzátumok, a degenerált anyagok, a szuperfluidok, és egyesek szerint a rendezetlen hiperuniformitás.

Disordered Hyperuniformity

Ezt az állapotot a "rejtett rend" jellemzi, amely:

Úgy viselkedik, mint az anyag kristályos és folyékony állapota, nagy távolságokat és rendetlenséget rendel a kis távolságoktól. A kristályokhoz hasonlóan ezek az állapotok nagymértékben elfojtják a részecskék sűrűségének változását… nagy kiterjedésű térközökkel, így az elrendezés rendkívül egyenletes. Ugyanabban az időben… [ezek] a rendszerek hasonlóak a folyadékokhoz, ugyanolyan fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek minden irányban.

Ilyen állapotok például a "folyékony héliumban, egyszerű plazmákban és sűrűn csomagolt granulákban", valamint a csirkék retináinak.

Csirke szemek

A látás optimalizálása érdekében a fényt érzékelő sejteket egy tömbben kell elhelyezni, amely lehetővé teszi a különböző sejtek számára, hogy "egyenletesen mintazzák a bejövő fényt a vizuális jelenet pontos ábrázolására." Az állatvilágban a legjobb megoldás a hatszögletű a rovarok összetett szemének tömbje. A csirkék szeme azonban nem képes elrendezni egy ilyen rendezett rendszert.

Figyelemreméltóan összetett, ellentétben az emberi szemekkel, amelyeknek csak háromféle kúpja van a retinában, a nappali madaraknak ötük van:

Négy darab kúp, amely a tetrakromatikus színképet támogatja [több hullámhosszat és talán még az emberek színeit is], valamint egy kettős kúpot, amelyről úgy gondolják, hogy közvetíti a kromatikus [nem színes] mozgásérzékelést.

Különböző méretük és összetételük miatt a csirkék szemének öt kúpja (egy zöld, kék, piros és ibolya, valamint a "fénysűrűséget" érzékelő kúp) nem létezhet optimális rendezett elrendezésben vagy tömbben. Inkább azok eloszlása szabálytalan, bár nem véletlenszerű:

A madár retinájában lévő egyedi kúp minták oly módon vannak elrendezve, hogy egyfajta kúpok szinte soha nem fordulnak elő ugyanazon típusú kúpok közelében. Ily módon a madár sokkal egységesebb elrendezést ér el mindegyik kúp típusnál, mint egy véletlenszerű (Poisson) pontmintában.

A feltételezés rejtélyes, a tudósok a közelmúltban megtámadták a problémát a "statisztikai mechanika és részecske-csomagolás elmélete során felmerülő érzékeny mikroszerkezeti deszkriptorok" használatával (vagy ahogy én nevezem: matematika és tudomány), és felfedezték:

A hiperuniformitás néven ismert nagy méretű korrelált rendellenességek figyelemre méltó típusa… [ahol] a teljes populáció [az összes kúpos típus] és az egyes sejttípusok [lila, piros, kék, zöld és fénysűrűség] fotoreceptor [kúp] mintázata egyidejűleg hiperuniform, amit többszörös egyforma egységnek nevezünk….

Ez azt jelenti, hogy mind az öt kúpos típus, együttesen, hiperuniform elrendezéssel rendelkezik, és az egyes kúpok elrendezése, külön-külön is, hiperuniform. A kutatók tehát arra a következtetésre jutottak, hogy minden egyes kúp típushoz tartozó egyes tagokat "kifogástalanul összekapcsolniuk kell a kirekesztési régiókkal, amelyeket saját maguk szerveznek mintákra".

A tanulmány szerzői azt a következtetést vonták le, hogy a kúpok változatossága miatt ez a minta a legjobbat teszi a rossz helyzetben:

Mivel a kúpok különböző méretűek, nem könnyű a rendszer kristályos vagy rendezett állapotba lépni. A rendszer frusztrált abban, hogy mi lehet az optimális megoldás… a tipikus rendezett elrendezés. Bár a minta rendellenes, a lehető legegyenletesebbnek kell lennie. Így a rendezetlen hiperuniformitás kiváló megoldás.