Gas, flydende, fast… Fysikere mangler en model for væsker
Vi har for længst fået beskrevet gasser og faste stoffer. Men fysikerne mangler fortsat en god model, som kan beskrive den flydende overgang mellem gas og fast stof: Væsker.
vand væske tilstandsformer gas flydende krsytal

Væsker er opbygget alt for kaotisk til, at deres opførsel kan forudsiges og beskrives af forskernes simple ligninger og tal. (Foto: José Manuel Suárez/Wikimedia Commons)

I folkeskolen har du formentlig lært, at materialer kan befinde sig i tre tilstande:

  • Gas
  • Flydende (væske)
  • Fast (krystal)
Mange tilstandsformer

I folkeskolen lærer vi at inddele materialer i tre tilstandsformer; gas, flydende og fast.

I virkelighedens verden kan materialer langt fra altid puttes i de tre simple kategorier.

Det kan du læse mere om i denne artikel, skrevet af professor Kristine Niss.

Tænk bare på eksemplet vand: Når det er koldt nok, er vandet et fast stof eller en krystal – den tilstand kalder vi normalt bare is. Når vi drikker vandet i sommervarmen, er det en flydende væske. Og når vi koger vandet, fordamper det, og vanddampen befinder sig således i tilstanden gas.

Fysikerne har for længst lavet fine modeller, som kan beskrive materialer, når de er i tilstanden gas eller krystal. Men i år 2018 mangler vi fortsat en god model, som kan beskrive materialer i den tredje og flydende tilstand; væske.

»Vi har nogle fine modeller for gasser og krystaller, men der findes ikke nogen grundlæggende teori eller model for væsker. Det arbejder vi på at lave om på,« siger fysikprofessor Kristine Niss, som står bag et studie i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

Idealgasser

Hun forklarer, at modeller og teorier for materialer er vigtige, fordi de giver os en grundvidenskabelig forståelse af materialer. Forskerne kan eksempelvis bruge modellerne til at forudsige og beregne, hvordan et materiale vil opføre sig under iskolde temperaturer på en fremmed planet eller et tårnhøjt tryk på bunden af havet.

Hvis man for eksempel vil beskrive en gas, kan man bruge idealgas-ligningen – den har du måske hørt om, hvis du går i gymnasiet. Det er en teoretisk model, som kan sladre om, hvordan en gas opfører sig ud fra oplysninger om gassens volumen (rumfang), tryk og temperatur.

Modellen er relativt simpel, fordi gassens byggesten – atomer og molekyler – svæver rundt i rummet hver for sig uden at forstyrre hinanden særlig meget.

»Idealgas-modellen er baseret på en antagelse om, at molekylerne er så langt fra hinanden, at de ikke rigtigt påvirker hinanden. Det betyder, at det er nemmere at forudsige, hvordan molekylerne vil opføre sig, og derfor er det relativt simpelt for os at beskrive gasser,« siger Kristine Niss, som er professor MSO ved forskningscentret Glas og Tid ved Roskilde Universitet.

Væsker er de værste

Når det gælder faste stoffer – krystaller - er de også relativt simple at forstå for forskerne. I krystaller sidder alle byggesten (molekyler og atomer) nemlig sammen i et fint og ordnet mønster.

tilstandsformer gas flydende væske krystal fast form

Krystaller af dimethyltryptamin. (Foto: Wikimedia Commons)

Krystallers egenskaber

Krystaller er faste stoffer, som er opbygget af byggesten (atomer og molekyler), som sidder i et fint ordnet mønster.

Sukker, køkkensalt, metal, iskrystaller og mineraler er dagligdagseksempler på krystaller.

Krystallers egenskaber er relativt simple at beregne og beskrive for forskere, fordi deres byggesten er sirligt ordnet i et mønster, som gentager sig.

Alle faste stoffer er imidlertid ikke krystaller. Mange faste stoffer er mere kaotisk opbygget – det gælder for eksempel et stykke træ eller plastik, hvor byggestenene sidder mere hulter til bulter.

Den slags ’kaotiske’ faste stoffer kan forskerne ikke beskrive med gængse teoretiske modeller.

Kilde: Kristine Niss

»I krystaller sidder alle molekyler og atomer i et fint gitter. De påvirker hinanden, men de gør det trods alt på en ordnet måde. Det betyder, at man kan lave nogle relativt simple teoretiske modeller for krystallers egenskaber,« siger Kristine Niss og tilføjer:

»Men når det gælder væsker sidder molekylerne tæt sammen på en uordnet måde, og de påvirker hele tiden hinanden. Derfor er der ikke nogen oplagt måde at lave en simpel model for væsker.«

Med andre ord er væsker opbygget alt for kaotisk til, at deres opførsel kan forudsiges og beskrives af forskernes simple ligninger og tal.

»Væsker er helt klart de værste og sværeste for os at forstå,« bekræfter Jorge Kurchan, som er fysiker og forskningsleder ved École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI Paris).

Isomorfteorien

Selvom forskerne endnu ikke har en model for væsker, er fysikere på Roskilde Universitet kommet et skridt nærmere. I 2008 fremsatte fysikprofessor Jeppe Dyre nemlig en ny teori for væsker, kaldet isomorfteorien. Du kan læse mere om teorien i boksen under artiklen.

Teorien er ikke en universel model for alle væsker, men den giver fysikerne en praktisk måde at beskrive visse væsker, mener Jorge Kurchan, som selv har arbejdet med teorien.

»Isomorfteorien er god, men den er ikke fuldstændig eksakt. Jeg kan bruge den, hvis jeg for eksempel har data for en væske, vi kalder A. Når jeg gerne vil have de samme data for en anden væske, B, kan jeg bruge isomorfteorien til at omregne data fra væske A til data for væske B,« forklarer Jorge Kuchan.

»Resultatet for væske B vil ikke være helt eksakt, men det er en overraskende god tilnærmelse i mange tilfælde,« tilføjer Jorge Kurchan.

Fra teori til eksperiment

Isomorfteorien er altså en danskudviklet teoretisk model, som forskerne kan bruge til at forudsige og beregne, hvordan simple væsker vil opføre sig.

»Modellen giver ikke nogen forklaring på væskens opførsel – vi har stadig ikke forstået væsker. Men modellen giver os et brugbart trick, som betyder, at vi kan oversætte målingerne fra én væske til en anden væske,« siger Jorge Kurchan.

Hidtil har arbejdet med isomorfteorien mest været teoretisk. Men i det nye studie i Nature Communications har Kristine Niss og hendes kolleger afprøvet teorien med et yderst kompliceret eksperiment med rigtige væsker.

»Isomorfteorien er blevet testet i computermodeller i de sidste 10 år. Vores studie er ikke det første, som afprøver teorien eksperimentelt, men det er det hidtil stærkeste eksperimentelle arbejde, som understøtter teorien,« siger Kristine Niss.

Kristine Niss forklarer i denne video sin forskning. (Video: Danmarks Frie forskninsgråd)

Bruger neutroner

Eksperimentet er lavet ved Institut Laue-Langevin (ILL) i Frankrig, som huser en såkaldt neutronspredningsfacilitet – en slags kæmpestort mikroskop, som udnytter neutroner til at zoome ind på materialer og se, hvordan de er opbygget på atomart niveau. (Du kan læse mere om neutronsprednings-metoden i denne artikel om det gigantiske forskningscenter European Spallatian Source (ESS) i Lund, som bliver arvtager efter ILL i Frankrig.)

Vil du vide mere?

Professor Kristine Niss har selv skrevet en række populærvidenskabelige artikler på Forskerzonen under Videnskab.dk

Du kan se hendes artikler her

I eksperimentet har forskerne testet isomorfteorien på tre forskellige væsker. Ved hjælp af det kæmpemæssige mikroskop zoomede de ind på væskerne og undersøgte, hvordan væskerne bevægede sig.

Det viste sig ifølge Kristine Niss, at væskernes bevægelse var helt i tråd med, hvad isomorfteorien forudsiger.

»Vi har set på, hvordan molekylerne i væsken bevæger sig, og hvor langt de kan flytte sig fra hinanden på ét sekund. Og herefter har vi gjort det samme med et picosekund (en billiontedel af et sekund, red.)« siger Kristine Niss.

»Det viser sig, at væsken bevæger sig på samme måde på både sekundskalaen og picosekundskalaen. Selvom det går 1.000 milliarder gange langsommere på sekundskalaen, så passer det stadig med teorien. Det er derfor, vi virkelig tror på, at teorien passer,« siger hun.

Du kan læse mere om isomorfteorien og de danske forskeres arbejde med væsker i artiklerne RUC-forskere har fået styr på en sej væske og Forskerne er blevet klogere på væsker.

Isomorfteorien: Simple væsker kan beskrives i to dimensioner

Isomorfteorien kan forudsige, hvordan visse væsker vil opføre sig.

Det gør den ved at forsimple beskrivelsen af en væske.

Forestil dig for eksempel, at du vil beskrive en liter vand. Er vandet i tilstanden is, væske eller vanddamp? For at kunne vide dette, er du nødt til at kende mindst to ekstra faktorer om vandet:

  • Tryk og
  • Temperatur

Ifølge isomorfteorien gælder der imidlertid for visse væsker, at man ikke nødvendigvis behøver at vide alt om væsken for at kunne beskrive den.

»Frem for at kende både tryk og temperatur, kan man nøjes med en enkelt parameter, som er en slags blanding mellem temperaturen og densiteten (tætheden, red.) af væsken. Det betyder, at det er meget simplere at beskrive væsken, fordi den kun er afhængig af én enkelt parameter,« forklarer Kristine Niss.

Hun understreger, at metoden ikke er 100 procent eksakt, men at man »klipper en hæl og hakker en tå« for at gøre det praktisk muligt at beskrive væsken.

I det nye studie viser forskerne, at to olie-lignende væsker (cumene og diffusionspumpe-olie) netop kan beskrives ved hjælp af blot en enkelt parameter, ligesom isomorfteorien forudsiger. Til gengæld er det samme ikke tilfældet med en tredje og kemisk anderledes væske (en brintbundet væske).

»Den opfører sig ikke på samme måde, så teorien virker ikke på denne væske. Men det havde vi heller ikke forventet, for væsken er kemisk set anderledes – teorien virker ikke for væsker med brintbindinger,« siger Kristine Niss.

Førsteforfatteren på det nye studie er Henriette Wase Hansen, som har været ph.d.-studerende hos Kristine Niss og i dag er postdoc på Institut Laue-Langevin.

Ugens Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.