Razdvojena hiperuniformnost - stanje snovi najdemo v očesu piščanca

2024 Avtor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 09:38

Kljub temu, kar ste se naučili v gimnaziji, obstajajo način več kot štiri stanja snovi. Ena možna nova, neurejena hiperuniformnost, je bila nedavno odkrita v najbolj čudnem mestu - očeh piščancev.

Klasične države pomembnosti

Da bi bolje razumeli eksotično stanje snovi, kot je neurejena hiperuniformnost, je lahko koristno pregledati značilnosti klasičnih stanja snovi: trdne snovi, tekočine, plini in plazme.

Običajno je vsak določen glede na gostoto in strukturo njegovih delcev:

Trdne snovi

Vsebina v tem stanju bo ohranila svojo obliko ne glede na posodo, njeni delci pa tesno skupaj. Obstajata dve glavni vrsti trdnih snovi:

Amorfne trdne snovi imajo motene strukture, kot so tekočine, vendar so trdne in imajo svoje oblike kot druge trdne snovi. Amorfne trdne snovi imajo le "omejen, lokaliziran režim, ki je bližji njihovim strukturnim enotam", vendar ni dolgega reda. Primeri vključujejo steklo, plastiko, majonezo in blato.

Kristalne trdne snovi imajo dobro urejene, toge strukture, držijo svoje oblike "na daljših atomskih razdaljah" in zato velja, da imajo dolge reda. Primeri vključujejo led, sol in ogljik.

Tekočine

Če imajo delci tesno skupaj, vendar brez urejene strukture, za razliko od amorfnih trdnih snovi tekočine prosto pretočijo in ne držijo oblike (same po sebi). To stanje snovi ima stalno prostornino in bo v skladu z obliko svojih posod. Primeri vključujejo vodo, mleko in sok.

Ena zanimiva različica, ki obstaja v "vmesnem stanju… med kristaliničnim trdnim stanju in tekočim stanjem "so tekoči kristali. Ta vrsta snovi ima dolge reda, ampak tudi teče kot tekočina. Primeri vključujejo nekatere mila, površinsko aktivne snovi in ester holesterola.

Plini

Vsebina v tem stanju nima strukturiranega razporeda in kot tekočina, bo imela obliko svoje posode, vendar se bo za razliko od tekočine razširila tudi, da jo napolni. Delci v plinu so ohlapno zapakirani in s tem plin lahko stisnemo. Primeri plinov vključujejo zrak in kisik.

Plazma

Tako kot plin plazma nima niti določene strukture niti določene količine; vendar za razliko od plina so plazemske molekule električno napolnjene. Zato plazmi lahko proizvedejo magnetne električne tokove in magnetna polja ter vodijo električno energijo. Primeri plazmov vključujejo strelo in zemeljsko ionosfero.

Eksotične razmere

V običajnih pogojih ni mogoče opazovati, da v teh državah obstajajo snovi. Primeri eksotičnih stanj vključujejo Bose-Einsteinove kondenzate, degenerirane snovi, superfluide in nekatere trditve, razporejene hiperuniformnosti.

Neurejena hiperuniformnost

Za to stanje je značilno njegovo "skrito zaporedje", ki:

Pojavi se kot kristalno in tekoče stanje snovi, ki kaže na red velikih razdalj in motenj na majhnih razdaljah. Tako kot kristali te države močno zavirajo spremembe gostote delcev… preko velikih prostorskih razdalj, tako da je ureditev zelo enotna. Ob istem času… [ti] sistemi so podobni tekočinam, saj imajo iste fizikalne lastnosti v vseh smereh.

Primeri tega stanja so bili ugotovljeni v "tekočem heliju, preprosti plazmi in gosto zapakiranih granulah", kot tudi mrežnice piščancev.

Piščančje oči

Za optimizacijo vida je treba celice, ki zaznavajo svetlobo, razporediti v matriko, ki omogoča različnim celicam, da "enakomerno vzorčijo dohodno svetlobo, da proizvedejo natančno predstavitev vizualne scene." Najboljša ureditev v živalskem kraljestvu je šestkotna vrsta sestavljenih oči insektov. Vendar pa piščancev oči ne morejo namestiti takšnega urejenega sistema.

Izjemno zapletene, za razliko od človeških oči, ki imajo v mrežnici samo tri vrste stožcev, imajo petdnevne ptice pet:

Štirje posamezni stožci, ki podpirajo tetrahromatični barvni vid (gledajo več valovnih dolžin in morda celo barve kot ljudje) in dvojni stožec, za katerega se domneva, da posreduje zaznavanje akromatične [brez barve].

Zaradi različnih velikosti in sestave petimi stožci v očeh piščancev (po eno za zeleno, modro, rdečo in vijolično, pa tudi stožec, ki zazna "osvetlitev") ne more obstajati v optimalnem urejenem dogovoru ali matriki. Njihova porazdelitev se zdi nepravilna, čeprav ne naključna:

Posamezni vzorci stožca v ptičji mrežnici so razporejeni tako, da se stožci ene vrste skoraj nikoli ne pojavijo v bližini drugih stožcev istega tipa. Na ta način ptica doseže veliko bolj enakomerno razporeditev vsake vrste stožca, kot bi obstajala v naključnem (Poissonovem) vzorcu točk.

Zaznavanje tega stanja je zaskrbljujoče, znanstveniki so nedavno napadli problem z uporabo "različnih občutljivih mikrostrukturnih deskriptorjev, ki se pojavljajo v statistični mehaniki in teoriji za pakiranje delcev" (ali, kot sem jo imenoval - matematika in znanost) in odkrili:

Izjemna vrsta koreliranih motenj pri velikih dolžinskih lestvicah, znanih kot hiperuniformnost… [kjer] vzorec fotoreceptorja [stožcev] tako celotnega prebivalstva [vseh vrst stožcev] kot posameznih vrst celic [vijolična, rdeča, modra, zelena in svetlost] so hiperuniformi, ki jih imenujemo multihopernosti….

To pomeni, da imajo vsi petimi vrstami stožcev, vzetih skupaj, hiperuniformno razporeditev, in razporeditev vsakega tipa stožca, kadar se obravnava ločeno, je tudi hiperuniforma. Raziskovalci so zato presodili, da morajo biti posamezni člani vsake vrste stožca "subtilno povezani s področji izključevanja, ki jih uporabljajo za samoorganizacijo v vzorce".

Avtorji študije so ugotovili, da glede na razlike v stožcih ta vzorec naredi najboljše slabe razmere:

Ker so stožci različnih velikosti, sistem ni enostavno iti v kristalno ali urejeno stanje. Sistem je razočaran nad iskanjem optimalne rešitve… tipična urejena ureditev. Medtem ko je vzorec neurejen, mora biti čim bolj enakomeren. Tako je neurejena hiperuniformnost odlična rešitev.