Iperuniformità disordinata - Lo stato della materia trovato nell'occhio di un pollo

Iperuniformità disordinata - Lo stato della materia trovato nell'occhio di un pollo

Nonostante quello che hai imparato al liceo, ci sono modo più di quattro stati della materia. Una possibile nuova, iperuniformità disordinata, è stata recentemente trovata nel posto più strano - gli occhi dei polli.

Stati classici della materia 

Per comprendere meglio uno stato esotico della materia come l'iperuniformità disordinata, può essere utile rivedere le caratteristiche degli stati classici della materia: solidi, liquidi, gas e plasmi. 

Tipicamente, ciascuno è definito in base alla densità e alla struttura delle sue particelle componenti:

solidi 

La materia in questo stato manterrà la sua forma indipendentemente dal suo contenitore, e le sue particelle componenti sono strettamente legate. Esistono due tipi principali di solidi:

I solidi amorfi hanno strutture disordinate come i liquidi, ma sono fermi e mantengono le loro forme come gli altri solidi. I solidi amorfi hanno solo un "ordine limitato, localizzato in prossimità delle loro unità strutturali", ma nessun ordine a lungo raggio. Gli esempi includono vetro, plastica, maionese e fango.

I solidi cristallini hanno strutture rigide e ordinate, mantengono le loro forme "su lunghe distanze atomiche" e, quindi, si dice che abbiano un ordine a lungo raggio. Gli esempi includono ghiaccio, sale e carbonio.

liquidi 

Avendo le particelle imballate strettamente insieme ma senza struttura ordinata, a differenza dei solidi amorfi, i liquidi fluiscono liberamente e non mantengono una forma (da soli). Questo stato di materia ha un volume costante e si conformerà alla forma dei suoi contenitori. Gli esempi includono acqua, latte e succo.

Una variante interessante che esiste in "uno stato intermedio. . . tra lo stato solido cristallino e lo stato liquido "sono cristalli liquidi. Questo tipo di materia ha un ordine a lungo raggio, ma scorre anche come un liquido. Gli esempi includono alcune soluzioni di sapone, tensioattivi ed estere di colesterolo.

gas 

La materia in questo stato non ha una disposizione strutturata e, come un liquido, prenderà la forma del suo contenitore, ma a differenza di un liquido, si espanderà anche per riempirlo. Le particelle di un gas sono impacchettate in modo indolore, e quindi un gas può essere compresso. Esempi di gas includono aria e ossigeno.

Plasma

Come il gas, il plasma non ha né una struttura definita né un volume definito; tuttavia, a differenza del gas, le molecole di plasma sono elettricamente cariche. Pertanto, i plasmi possono produrre correnti magnetiche e campi magnetici, nonché condurre elettricità. Esempi di plasmi includono il fulmine e la ionosfera terrestre.

Stati esotici della materia

La materia che esiste in questi stati non è osservabile in condizioni normali. Esempi di stati esotici includono condensati di Bose-Einstein, materia degenerata, superfluidi e, secondo alcuni, iperuniformità disordinata.

Iperuniformità disordinata

Questo stato è caratterizzato dal suo "ordine nascosto" che:

Si comporta come gli stati cristallini e liquidi della materia, esibendo l'ordine su grandi distanze e il disordine su piccole distanze. Come i cristalli, questi stati sopprimono notevolmente le variazioni nella densità delle particelle. . . attraverso grandi distanze spaziali, in modo che la disposizione sia altamente uniforme. Allo stesso tempo . . . [questi] sistemi sono simili ai liquidi in quanto hanno le stesse proprietà fisiche in tutte le direzioni.

Esempi di questa condizione sono stati trovati in "elio liquido, plasmi semplici e granuli densamente impacchettati", nonché le retine dei polli.

Occhi di pollo

Per ottimizzare la vista, le cellule che percepiscono la luce dovrebbero essere disposte in una matrice che permetta alle diverse cellule di "campionare in modo uniforme la luce in ingresso per produrre una rappresentazione accurata della scena visiva". La migliore disposizione trovata nel regno animale è l'esagonale matrice degli occhi composti di insetti. Gli occhi dei polli, tuttavia, non possono accogliere un sistema così ordinato.

Incredibilmente complesso, a differenza degli occhi umani che hanno solo tre tipi di coni nella retina, gli uccelli diurni ne hanno cinque:

Quattro coni singoli, che supportano la visione a colori tetracromatica [vedendo più lunghezze d'onda e forse persino i colori rispetto agli umani] e un doppio cono, che è pensato per mediare la percezione del movimento acromatico [assenza di colore].

A causa delle loro diverse dimensioni e composizione, i cinque coni negli occhi dei polli (uno per verde, blu, rosso e viola, così come il cono che rileva la "luminanza") non possono esistere in una disposizione o una disposizione ordinata ottimale. Piuttosto, la loro distribuzione appare irregolare, sebbene non casuale:

I singoli modelli di cono nella retina dell'uccello sono disposti in modo che i coni di un tipo non si verifichino quasi mai nelle vicinanze di altri coni dello stesso tipo. In questo modo, l'uccello ottiene una disposizione molto più uniforme di ciascun tipo di cono di quanti ne esisterebbero in un modello casuale di punti (Poisson).

Trovando questa condizione sconcertante, gli scienziati hanno recentemente attaccato il problema usando "una varietà di descrittori microstrutturali sensibili che emergono nella meccanica statistica e nella teoria dell'imballaggio delle particelle" (o come la chiamo io - matematica e scienza) e hanno scoperto:

Un tipo notevole di disordine correlato su scale di grandi dimensioni noto come iperuniformità. . . [dove] i modelli di fotorecettori [coni] sia della popolazione totale [tutti i tipi di cono] sia dei singoli tipi di cellule [viola, rosso, blu, verde e luminanza] sono simultaneamente iperiformi, che chiamiamo multiperiformità. . . .

Ciò significa che tutti e cinque i tipi di coni, presi insieme, hanno una disposizione iper-uniforme, e la disposizione di ciascun tipo di cono, quando considerata separatamente, è anche iper-uniforme. I ricercatori hanno quindi ipotizzato che i singoli membri di ciascun tipo di cono debbano essere "sottilmente collegati dalle regioni di esclusione, che usano per auto-organizzarsi in schemi".

Gli autori dello studio hanno concluso che, data la variazione nei coni, questo modello rende il meglio di una brutta situazione:

Poiché i coni sono di dimensioni diverse, non è facile per il sistema entrare in uno stato cristallino o ordinato. Il sistema è frustrato dal trovare quella che potrebbe essere la soluzione ottimale. . . la disposizione ordinata tipica. Mentre il modello deve essere disordinato, deve essere il più uniforme possibile. Quindi l'iperuniformità disordinata è una soluzione eccellente.

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