De klassiske tilstandsformer forklarer ikke verden omkring os
Vi kender tre tilstandsformer fra skolen: fast, flydende og gas. Men mange materialer falder uden for disse kategorier, så der er brug for en bedre grundvidenskabelig forståelse, forklarer lektor i fysik, Kristine Niss.

Vi lærer i skolen, at alt findes i tre tilstandsformer: Fast form, flydende form og gasform. De tre tilstandsformer er meget grundlæggende og udgør fundamentet for vores forståelse af den håndgribelige verden omkring os. Problemet er bare, at rigtig meget af det, vi omgiver os med, falder uden for de tre kategorier. (Foto: Shutterstock)

 

Er en skumfidus fast eller flydende? Hvad med en tavlesvamp? Og hvad med asfalt på en en varm sommerdag? Eller os selv?

Du kan jo nive dig selv i armen og prøve at afgøre, om du er fast eller flydende.

I skolen lærer man, at alt findes i tre tilstandsformer. Der er fast form, flydende form og gasform. De tre former kendes fra vand, hvor de findes som is, flydende vand og damp. Men det dækker langt fra hele verden.

Der er sådan set ikke noget galt med det, man lærer i skolen. De tre tilstandsformer er meget grundlæggende og udgør fundamentet for vores forståelse af den håndgribelige verden omkring os. Problemet er bare, at rigtig meget af det, vi omgiver os med, falder uden for de tre kategorier.

Et stykke træ er måske nok fast, men det er ikke en krystalisk fast form, som vi forstår det i fysikken, og det er jo i hvert fald heller ikke flydende. Det samme gælder plastik, kød, læder, sytråd, karameller og papir. Jeg kunne blive ved.

Udover is er de bedste eksempler på den 'ægte' faste form metal og de fleste sten. Stort set alt andet er noget andet. Noget andet mere indviklet.

Vi forstår ikke, hvordan molekylerne styrer materialet

Hvorfor er det så, man ikke lærer om alt det andet i skolens fysikundervisning?

Måske er det, fordi vi fysikforskere ikke har forstået de andre ting. Vi har simpelthen ikke forstået, hvordan molekylernes position og bevægelser styrer materialernes egenskaber. Vi ved ikke, hvordan de mikroskopiske strukturer er bestemmende for de makroskopiske egenskaber. Vi forstår ikke, hvorfor en bestemt processering giver anledning til bestemte egenskaber.

Stort set alt, hvad vi ved, ved vi fra trial and error. Man har prøvet sig frem.

Man kan godt give en ingeniør et stykke træ og spørge hende, om det er stærkt nok til at bygge en bro. Men hun er nødt til først at måle på lige præcis det stykke træ. Eller i hvert fald at have målinger på noget træ helt magen til - samme træsort, samme tykkelse, samme fugtighed og så videre. Der er ikke nogen teori, der kan forudsige, hvor stærkt eller elastisk et stykke træ vil være.

Det hænger sammen med, at strukturen af træ er meget varieret. Ligegyldigt hvor langt man zoomer ind (eller ud), kommer der hele tiden nye informationer. Og de her strukturer på alle mulige længdeskalaer har betydning for, hvor stærkt træet er.

Tilstande kan beskrives både makroskopisk og mikroskopisk

Det et meget generelt at tale om 'væsker' som en ting, fordi forskellige væsker er lavet af forskellige typer molekyler. Sejt-flydende væsker som karamel stivner og bliver fast, når det bliver kølet ned. Men ikke i den klassiske faste form man lærer om i skolen, men en fast form, hvor molekylerne ligger hulter til bulter ligesom i en væske. (Foto: <a>Shutterstock</a>)

Hvis vi går tilbage til det, vi nogenlunde forstår: fast, flydende og gas, så kan de tilstande beskrives både makroskopisk og mikroskopisk.

Faste stoffer er for eksempel hårde og ændrer ikke sådan lige facon. Vi kan forklare det med en mikroskopisk struktur, hvor molekylerne sidder pakkede i et fint mønster og ikke kan flytte sig. Vi ved også, at væsker kan flyde, fordi molekylerne ligger hulter til bulter mellem hinanden, og at de kan bevæge sig mellem hinanden.

Men der er jo stor forskel på, hvor hurtigt væsker flyder. Det afhænger af, hvilken væske, der er tale om. Og det afhænger af temperaturen og trykket.

Alt det har vi ikke forstået. Selvom væskerne altså er hundrede gange simplere end for eksempel vores hud eller et træ.

 

Flydeevnen hos væsker er det enkleste af det, vi ikke har forstået

Jeg synes, man kan sige, at flydeevnen hos væsker er det enkleste af alt det, vi ikke har forstået om materialer.

På den anden side er det et meget generelt at tale om 'væsker' som en ting, fordi forskellige væsker er lavet af forskellige typer molekyler. Og det er slet ikke sikkert, at der findes én teori for alle væsker.

Min egen forskning handler særligt om de sejt-flydende væsker. Det kunne for eksempel være asfalt på en varm dag, halvhårde karameller, honning, der har ligget i fryseren, eller glaspusterens glasmasse lige inden den stivner.

Når man køler på disse meget seje væsker, holder de til sidst op med at være væsker. De stivner og bliver faste. Men ikke den klassiske faste form, man lærer om i skolen, men en fast form, hvor molekylerne ligger hulter til bulter ligesom i en væske.

Vi kalder denne faste form for 'glas'. Et eksempel på glas er selvfølgelig det, vi også i daglig tale kalder glas. Andre eksempler er bolcher, det meste plastik, rav og flintesten.

Hvis vi havde en bedre grundvidenskabelig forståelse af alle disse materialer, ville vi (nok) også blive bedre til at håndtere dem og lave seje fremtidsagtige ting ud af dem.

Denne artikel er oprindeligt publiceret som et blogindlæg.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud