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物質の集合状態の新しい視界——プラズマと液晶
CHEM1002S-PEP-CNLesson 3
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従来の認識では、世界は固体、液体、気体の3つの状態で構成されていると考えられている。しかし、エネルギーの境界を越えると、物質は驚くべき「新視界」という新たな姿を見せてくれる。これは単なる物理状態の変化にとどまらず、エネルギーと微視的な秩序との対立・均衡の場でもある。

エネルギー(Energy)液晶(中間状態)固体液体気体プラズマ図3-1:物質状態の変化とエネルギー勾配

1. プラズマ(Plasma)

化学的定義:プラズマは電子、陽イオン、電気的に中性な粒子(分子または原子)から構成され、全体として電気的に中性な気体状態の物質である。これは物質の「第4状態」と呼ばれ、高い電離度により優れた導電性と磁気応答性を持つ。まるでオーロラが空を駆け抜けるように、自然が織りなす最も壮大なプラズマのショーである。

2. 液晶(Liquid Crystal)

化学的定義:液晶は液体状態と結晶状態の中間にある物質の状態であり、液体の流動性や粘度、変形性などの性質を持ちつつ、結晶の一部の物理的性質も備えている。この特殊な「中間状態」は通常、特定の温度範囲内に存在する。微視的には、棒状の分子は液体中でもある種の方向性の整列が維持されており、電場の作用によって「シャッター」のように光の透過を制御できる。

深掘り:準結晶(Quasicrystal)
我々は結晶(長距離秩序、並進対称性)と非晶質(完全無秩序)について学んできた。では準結晶とは何か?準結晶は長距離秩序を持つが並進対称性を持たない固体構造であり、古典的な結晶学では「禁止」とされていた五重対称性を持つ。これは物質の秩序性の新たな奇跡的な形態である。