Дослідження показало топологію в тому, що стоїть у кутку обіднього столу

Дослідники виявили незвичайний топологічний аспект хлориду натрію (кухонна сіль), який не тільки полегшить розуміння механізму розчинення та формування солі, але може також прокласти шлях для майбутнього дизайну нанорозмірних провідних квантових дротів.

 

Дослідження було проведено Гонконзьким університетом наук і технологій (HKUST) спільно з Токійським університетом. Результати опубліковано в журналі Physical Review X.

У нашому повсякденному житті існує велика різноманітність передових матеріалів, і багато гаджетів і технологій створюються за допомогою складання різних матеріалів. У мобільних телефонах, для прикладу, використовується комбінація багатьох різних речовин — скло для дисплея, алюмінієвий сплав для каркаса та метали, такі як золото, срібло та мідь, для внутрішньої проводки.

Але у природи є свій геніальний спосіб "приготування" різних властивостей в один дивовижний матеріал, або так званий "топологічний матеріал".

Топологія, як математична концепція, вивчає, які аспекти об'єкта є міцними при плавній деформації. Наприклад, ми можемо стиснути, розтягнути або скрутити футболку, але кількість її отворів буде чотири, доки ми її не розірвемо.

Відкриття топологічних фаз матерії, відзначене Нобелівською премією з фізики 2016 року, свідчить про те, що деякі квантові матеріали за своєю суттю є комбінацією електричних ізоляторів і провідників. Це може призвести до необхідності наявності межі провідності, навіть якщо основна маса матеріалу є ізоляційною. Такі матеріали не класифікуються ані як метал, ні як ізолятор, а як природна сукупність обох.

Хоча топологічні якості матеріалів привертають багато дослідницьких інтересів, наразі вони реалізуються лише в ексклюзивному наборі екзотичних матеріалів, таких як двовимірний графен.

Проте, в нещодавній роботі професор Адріан По Хой Чун, доцент кафедри фізики HKUST, та його колега, професор Харукі Ватанабе з Токійського університету, виявили дивовижний зв’язок між топологією та великим класом звичайних речовин, включаючи кухонну сіль.

Кухонна сіль, або хлорид натрію, є одним із найпоширеніших кристалів, які часто фігурують у підручниках з хімії для старших класів як прототип іонної сполуки.

Довгий час вважалося, що такі відомі речовини топологічно нудні. Однак дослідницька група виявила, що кухонна сіль теоретично може реалізувати форму недавно представленої топології "вищого порядку".

Замість двовимірних поверхонь або одновимірних граней, нульвимірний кут зерна солі демонструє аномальну поведінку, при якій електричні заряди ефективно фракціоновані на одну восьму фундаментальної одиниці природи. Крім того, стійкість цієї топологічної властивості означає, що навіть якщо хімічну структуру модифікувати в інші формати, такі як хлорид срібла або фторид калію, результат все одно залишиться.

Професор Ватанабе зазначив, що зв'язок між топологічними матеріалами та повсякденними речовинами, такими як кухонна сіль, є абсолютно неочікуваним.

Професор По сказав, що отриманий результат свідчить про недоотримуваний аспект топології у звичайних іонних сполуках.

«Знахідка може надихнути до майбутньої розробки нанорозмірних провідних квантових дротів або нових методів доставлення ліків, які так часто вивчаються разом із процесами розчинення солі», — сказав професор По, додавши, що «цікаво усвідомлювати, як ми ковтаємо фракції електрон з кожним прийманням їжі».