|
 |
|
Dobar dan,
Toplinski koeficijent rastezanja tvari u 3D prostoru ovisi o temperaturi i o strukturi promatrane tvari. Zašto se kod nekih kristala ekspanzija razlikuje u ovisnosti oko koje osi je promatramo? Znam da je iduće pitanje opet više vezano uz fiziku, ali me zanima zašto neke tvari imaju imaginarni indeks refrakcije i što bi zapravo značilo postojanje tvari s negativnim refrakcijskim indeksom, u knjiga su inače najčešće navede neke "normalne" vrijednosti koje se opisuje kao c/v, pa me zanima kako bismo onda opisivali ove podatke? Znate li možda za neki drugi izvor na ovu temu, na internetu sam uspjela vrlo kratko pročitati o ovoj temi na vikipediji.
Hvala Vam unaprijed na odgovorima
Lijep pozdrav
|
|
Ime i prezime:
ANA PIROŠ
pirosa0805@gmail.com
|
 |
 |
Toplinska ekspanzija čvrstih materijala proizlazi iz toga što temperatura uopće jest na mikroskopskoj razini, a to su kvantne vibracijske razine, odnosno statistička popunjenost pojedinih nivoa, kako kod kovalentnih veza, tako i onih fononskih tj. kristalnih rešetki. (Kod plinova je pak ključna translacijska komponenta, odnosno kinetička energija čestica.)
Krenemo li od jedne jedine kovalentne veze između dvaju atoma, vrijedi da će se viši energijski nivo manifestirati kao veći molekulski volumen. Možemo si to zamisliti kao dvije kuglice povezane oprugom, koje osciliraju. Krajnji položaji kuglica definiraju amplitudu te oscilacije i u njima je sva energija potencijalna, dok je negdje na pola puta sva energija kinetička. Za tumačenje ekspanzije bitan je onaj najdalji položaj te jednostavno zamisliva činjenica da je za veće rastezanje, dakle veći odmak, potrebna veća energija, kao i da to onda znači da kuglice u svojoj oscilaciji prebrisuju veći prostor.
Idući korak je da zamislimo da nemamo jedan takav par kuglica, nego na milijune njih, sve uredno posložene u jedan jedini lanac. Dodajemo li sad energiju u njihove oscilacije, parovi će se morati međusobno razmicati jer će si inače smetati, što će efektivno dovesti do produljenja lanca. To će se razmicanje događati nasumično, kako koji par dobije više energije, ali na makroskopskoj razini produljivat će se cijeli lanac. Sad imamo nekakav model termičke ekspanzije za jednodimenzijski materijal.
Do trodimenzijskog materijala možemo jednostavno doći tako da uzmemo one lance iz prethodnog modela i naslažemo ih jedne uz druge, npr. u heksagonsku slagalinu. Dodatak energije u takav sustav opet će voditi do produljenja lanaca, odnosno do širenja materijala duž tih lanaca. Međutim, okomito na te lance neće se događati ništa jer u tom smjeru nema nikakvih vibracija.
Model tih lanaca dalje možemo nadograđivati u kompliciranije strukture. Recimo da umjesto lanaca imamo dvodimenzijske heksagonske mreže, uredno naslagane jedne preko drugih. Unos energije u takav sustav vodit će do viših vibracijskih nivoa unutar pojedinih slojeva, ali ne i između njih, tako da će se takav materijal širiti u dva smjera, a okomito na njih neće. Sličan primjer zapravo postoji u stvarnosti i zove se grafit. Međutim, kod njega ne samo da se koeficijent širenja u heksagonskim ravninama drastično razlikuje od koeficijenta širenja okomito na njih, nego je potonji ispod 675 K negativan. Naime, produljenje veza u jednom smjeru ponekad može voditi gušćem pakiranju u drugim smjerovima, tako da je negativan koeficijent ekspanzije savršeno zamisliv kod vrlo anizotropnih materijala. (Izotropno znači da su svojstva nekog materijala ista u svim smjerovima, a anizotropno da nisu. Npr. plinovi i tekućine su tipično izotropni, dok su kristali tipično anizotropni, osim, u praktičnom smislu, dijela kubičnih.)
I sad možemo odgovoriti na polazno pitanje: koeficijent termičke ekspanzije u nekom smjeru ovisi o tomu kakve su kemijske veze prisutne duž toga smjera, odnosno kako se međuatomske udaljenosti mijenjaju ovisno o temperaturi. Kako su kod kristalnih tvari kemijske veze prostorno orijentirane, koeficijent termičke ekspanzije bit će različit u različitim smjerovima.
Za fizičko pitanje trebamo fizičare kojih nažalost nemam pri ruci (a žalopojka o neaktivnosti E-škole fizike otpjevana je još pred 25 godina), tako da ću improvizirati. Imaginarna komponenta kompleksnog indeksa loma svjetlosti odnosi se na apsorpciju i tu se radi samo o elegantnom uklapanju dvaju fenomena u jedan računski model. U tom svjetlu, svakoj tvari možemo pripisati kompleksni indeks loma, a hoćemo li, ovisi o tomu čime se bavimo. Kako nemam veze s optikom, ne mogu reći kakovi se točno modeli koriste npr. u razvoju teleskopskih leća, ali prilično sam siguran da se apsorpcija itekako uračunava.
Negativan indeks loma proizlazi iz periodičnog slaganja različitih materijala u tzv. metamaterijale. Ono što se radi tipično bude nekakva optička rešetka, dakle periodična slagalina sastavljena od vodljivih i nevodljivih materijala, koja se onda prema zračenjima valnih duljina većih od perioda te slagaline ponaša kao da ima negativan indeks loma. Kako to točno proizlazi iz ustroja metamaterijala, ne mogu reći jer ne baratam matematičkim modelom, no dojma sam da napredniji srednjoškolci mogu pohvatati barem osnove, dok za ozbiljniji ulazak u tematiku treba ići na neki fizički ili tehnološki fakultet. Dosta ozbiljno ograničenje za takve materijale je koliko se sitno može stvarati umjetna struktura jer kad-tad dođemo do sâmih atoma i molekula, koji se baš i ne daju ručno poslagivati. Međutim, postoji i klasa "klasičnih" materijala, odnosno čistih tvari koje se zajednički nazivaju Diracovim tvarima i koje zbog svoje elektronske strukture mogu imati neobična svojstva u koja onda može spadati i negativan indeks loma. Njima se, osim fizičarâ, bave i kemičari, osobito u domeni tzv. kristalnog inženjerstva, u kojemu se saznanja o tomu kako se atomi i molekule organiziraju u kristale koriste kako bi se proizveli kristali s nekim ciljanim svojstvima.
Što se tiče izvorâ mimo E-škole kemije i Wikipedije, dopustit ću si da krenem od zadnjeg tehnološkog krika, a to su veliki jezični modeli (LLMs). Na mnoga pitanja, pa tako i ona znanstvena, dat će točne i kvalitetne odgovore, tako da, ako si već prošla kroz neke osnove, svakako možeš postaviti pitanje i nekom od dostupnih modela. Od odgovorâ ćeš, ponešto kontraintuitivno, imati to više koristi što bolje razumiješ materiju, tako da se moja sugestija u prvom redu odnosi na raščišćavanje pokoje zaostale dileme.
Od tiskanih izvora pred desetak godina preporučio bih potražiti časopis Priroda, u nadi da će se naći nešto baš na temu koja te zanima. Priroda je, međutim, prestala izlaziti 2019., ali nije nemoguće da se u njoj pisalo i o metamaterijalima. Glavni problem za pretragu tehničke je prirode. Naime, izim digitalizirane baze u knjižnici FOI-ja, koja nema ničega novijeg od 2007. godine, postoje samo fizičke, papirnate baze po gradskim knjižnicama, što će reći da bi trebalo listati, listati i listati. Pored Prirode tu je još Matematičko-fizički list koji nekim čudom nije nestao, ali kako ga ne pratim već dvadeset godina, ne mogu reći koliko zalazi u popularnu znanost, premda bih preporučio barem pogledati što ima. U krajnjoj liniji, u školske dane dobio sam par zgodnih matematičkih knjiga jer sam uspio riješiti neke zadatke. Pored ta dva časopisa na pamet mi pada još Drvo znanja, ali ne znam niti izlazi li još, niti je li išta digitalno dostupno. Pored toga, kako je ono (bilo) primarno orijentirano na osnovnu školu, vjerojatno se ne isplati gledati ima li tamo išta o metamaterijalima.
Preostaje mi još da spomenem što ima u živom digitalnom svijetu. Meni dosta solidne adrese za gledati znanstvene novosti su portali ideje.hr, koji se dosta vrti oko znanosti, te bug.hr, gdje Igor Berecki i Nenad Raos redovito pišu o svakakvim temama iz znanosti i tehnologije. Njih spominjem primarno zbog opće kulture jer se ne sjećam da imaju išta konkretno o metamaterijalima, no u svakom trenu mogu iznenaditi. Pored ta dva portala ponekim znanstvenim tekstom znade iznenaditi tportal.hr, dok na index.hr ponešto korisno napiše Nenad Jarić Dauenhauer. Sve skupa bih po pitanju fizike metamaterijalâ zapravo sveo na guglanje na temu, na hrvatskom jeziku. Možda ispadne kakvo iznenađejnje. Pitanja iz fizike, pa i kemije, ima smisla postavljati još i na podforumu Prirodne znanosti na forum.hr jer je neki manji broj forumašâ ostao aktivan i nakon egzodusa 2010-ih, kad je Facebook pomeo forume i blogove. Barem jedan fizičar i barem jedan kemičar na tom podforumu zapravo i razumiju to o čemu pišu, s tim da fizičar puno previše filozofira o kvantnoj mehanici.
Pozdrav, |
|
|
Odgovorio:
Ivica Cvrtila
icvrtila@chem.pmf.hr
<-- Povratak
|
|
|
Postavite
pitanje iz bilo kojeg područja kemije i
e-škola će osigurati da dobijete odgovor od kompetentnog znanstvenika. |
  |
|
