Historisch gesehen beruht die Unterscheidung auf qualitativen Unterschieden in den Eigenschaften. Materie im festen Zustand hat ein festes Volumen und eine feste Form, wobei die einzelnen Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) eng beieinander liegen und fest miteinander verbunden sind. Materie im flüssigen Zustand hat ein festes Volumen, aber eine variable Form, die sich ihrem Behälter anpasst. Ihre Teilchen liegen weiterhin eng beieinander, bewegen sich aber frei. Materie im gasförmigen Zustand hat sowohl ein veränderliches Volumen als auch eine veränderliche Form, die sich ihrem Behälter anpasst. Ihre Teilchen liegen weder dicht beieinander noch sind sie an ihrem Platz fixiert. Materie im Plasmazustand hat ein variables Volumen und eine variable Form, enthält aber neben neutralen Atomen auch eine beträchtliche Anzahl von Ionen und Elektronen, die sich beide frei bewegen können. Plasma ist die häufigste Form der sichtbaren Materie im Universum.

Die vier Grundzustände

Fest

In einem Festkörper sind die Teilchen (Ionen, Atome oder Moleküle) dicht aneinander gepackt. Die Kräfte zwischen den Teilchen sind so stark, dass sich die Teilchen nicht frei bewegen, sondern nur schwingen können. Daher hat ein Festkörper eine stabile, bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Festkörper können ihre Form nur durch Kraft verändern, z. B. wenn sie gebrochen oder geschnitten werden.

In kristallinen Festkörpern sind die Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) in einem regelmäßig geordneten, sich wiederholenden Muster angeordnet. Es gibt verschiedene Kristallstrukturen, und ein und derselbe Stoff kann mehr als eine Struktur (oder feste Phase) haben. Eisen hat zum Beispiel bei Temperaturen unter 912 °C eine kubisch-raumzentrierte Struktur und zwischen 912 und 1394 °C eine kubisch-flächenzentrierte Struktur. Eis hat fünfzehn bekannte Kristallstrukturen oder fünfzehn feste Phasen, die bei verschiedenen Temperaturen und Drücken existieren.

Gläser und andere nicht-kristalline, amorphe Festkörper ohne langreichweitige Ordnung sind keine thermischen Gleichgewichtsgrundzustände; daher werden sie im Folgenden als nicht-klassische Zustände der Materie beschrieben.

Feststoffe können durch Schmelzen in Flüssigkeiten umgewandelt werden und können sich auch durch den Prozess der Sublimation direkt in Gase verwandeln.

Flüssigkeit

Eine Flüssigkeit ist eine nahezu inkompressible Flüssigkeit, die sich der Form ihres Behälters anpasst, aber ein (nahezu) konstantes Volumen unabhängig vom Druck behält. Das Volumen ist eindeutig, wenn Temperatur und Druck konstant sind. Wird ein Feststoff über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt, wird er flüssig, sofern der Druck über dem Tripelpunkt der Substanz liegt. Zwischenmolekulare (oder interatomare oder interionische) Kräfte sind immer noch wichtig, aber die Moleküle haben genug Energie, um sich relativ zueinander zu bewegen, und die Struktur ist beweglich. Das bedeutet, dass die Form einer Flüssigkeit nicht eindeutig ist, sondern durch ihr Behältnis bestimmt wird. Das Volumen ist in der Regel größer als das des entsprechenden Festkörpers, die bekannteste Ausnahme ist Wasser, H2O. Die höchste Temperatur, bei der eine bestimmte Flüssigkeit existieren kann, ist ihre kritische Temperatur.

Gas

Ein Gas ist eine kompressible Flüssigkeit. Ein Gas passt sich nicht nur der Form seines Behälters an, sondern dehnt sich auch aus, um den Behälter zu füllen.

In einem Gas haben die Moleküle genügend kinetische Energie, so dass die Wirkung der zwischenmolekularen Kräfte gering ist (oder null für ein ideales Gas) und der typische Abstand zwischen benachbarten Molekülen viel größer als die Molekülgröße ist. Ein Gas hat weder eine bestimmte Form noch ein bestimmtes Volumen, sondern nimmt den gesamten Behälter ein, in dem es eingeschlossen ist. Eine Flüssigkeit kann durch Erhitzen bei konstantem Druck bis zum Siedepunkt oder durch Absenken des Drucks bei konstanter Temperatur in ein Gas umgewandelt werden.

Bei Temperaturen unterhalb seiner kritischen Temperatur wird ein Gas auch als Dampf bezeichnet und kann allein durch Kompression ohne Abkühlung verflüssigt werden. Ein Dampf kann mit einer Flüssigkeit (oder einem Feststoff) im Gleichgewicht sein; in diesem Fall ist der Gasdruck gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit (oder des Feststoffs).

Ein überkritisches Fluid (SCF) ist ein Gas, dessen Temperatur und Druck über der kritischen Temperatur bzw. dem kritischen Druck liegen. In diesem Zustand verschwindet die Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Gas. Ein überkritisches Fluid hat die physikalischen Eigenschaften eines Gases, aber seine hohe Dichte verleiht ihm in einigen Fällen Lösungsmitteleigenschaften, was zu nützlichen Anwendungen führt. Überkritisches Kohlendioxid wird zum Beispiel zur Extraktion von Koffein bei der Herstellung von entkoffeiniertem Kaffee verwendet.

Plasma

Wie ein Gas hat ein Plasma weder eine bestimmte Form noch ein bestimmtes Volumen. Im Gegensatz zu Gasen sind Plasmen elektrisch leitfähig, erzeugen Magnetfelder und elektrische Ströme und reagieren stark auf elektromagnetische Kräfte. Positiv geladene Kerne schwimmen in einem „Meer“ von frei beweglichen disassoziierten Elektronen, ähnlich wie solche Ladungen in leitendem Metall existieren. Tatsächlich ist es dieses Elektronen-„Meer“, das es der Materie im Plasmazustand ermöglicht, Elektrizität zu leiten.

Der Plasmazustand wird oft missverstanden, aber er ist auf der Erde tatsächlich recht häufig anzutreffen, und die meisten Menschen beobachten ihn regelmäßig, ohne es zu merken. Blitze, elektrische Funken, Leuchtstoffröhren, Neonröhren, Plasmafernseher, einige Arten von Flammen und die Sterne sind alles Beispiele für beleuchtete Materie im Plasmazustand.

Ein Gas wird normalerweise auf zwei Arten in ein Plasma umgewandelt, entweder durch einen enormen Spannungsunterschied zwischen zwei Punkten oder indem man es extrem hohen Temperaturen aussetzt.

Das Erhitzen von Materie auf hohe Temperaturen führt dazu, dass Elektronen die Atome verlassen und freie Elektronen entstehen. Bei sehr hohen Temperaturen, wie sie in Sternen herrschen, geht man davon aus, dass im Wesentlichen alle Elektronen „frei“ sind und dass ein sehr hochenergetisches Plasma im Wesentlichen aus nackten Atomkernen besteht, die in einem Meer von Elektronen schwimmen.

Phasenübergänge

Dieses Diagramm veranschaulicht Übergänge zwischen den vier Grundzuständen der Materie.

Ein Zustand der Materie ist auch durch Phasenübergänge gekennzeichnet. Ein Phasenübergang deutet auf eine Veränderung der Struktur hin und ist an einer abrupten Änderung der Eigenschaften zu erkennen. Ein ausgeprägter Aggregatzustand kann definiert werden als eine Reihe von Zuständen, die sich von einer anderen Reihe von Zuständen durch einen Phasenübergang unterscheiden. Bei Wasser kann man sagen, dass es mehrere verschiedene feste Zustände gibt. Das Auftreten von Supraleitfähigkeit ist mit einem Phasenübergang verbunden, so dass es supraleitende Zustände gibt. Ebenso sind ferromagnetische Zustände durch Phasenübergänge abgegrenzt und haben besondere Eigenschaften. Wenn die Zustandsänderung in Stufen erfolgt, werden die Zwischenstufen als Mesophasen bezeichnet. Solche Phasen wurden durch die Einführung der Flüssigkristalltechnik ausgenutzt.

Der Zustand oder die Phase eines bestimmten Stoffes kann sich in Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturbedingungen ändern und in andere Phasen übergehen, wenn sich diese Bedingungen so verändern, dass sie ihre Existenz begünstigen; so geht beispielsweise ein fester Stoff mit steigender Temperatur in eine Flüssigkeit über. In der Nähe des absoluten Nullpunkts existiert eine Substanz als Feststoff. Wenn diesem Stoff Wärme zugeführt wird, schmilzt er an seinem Schmelzpunkt zu einer Flüssigkeit, kocht an seinem Siedepunkt zu einem Gas und würde bei ausreichender Erwärmung in einen Plasmazustand übergehen, in dem die Elektronen so stark angeregt werden, dass sie ihre Ausgangsatome verlassen.

Materieformen, die nicht aus Molekülen bestehen und durch unterschiedliche Kräfte organisiert sind, können ebenfalls als unterschiedliche Materiezustände betrachtet werden. Superfluide (wie das fermionische Kondensat) und das Quark-Gluon-Plasma sind Beispiele dafür.

In einer chemischen Gleichung kann der Aggregatzustand der Chemikalien als (s) für fest, (l) für flüssig und (g) für gasförmig angegeben werden. Eine wässrige Lösung wird mit (aq) bezeichnet. Materie im Plasmazustand wird nur selten (wenn überhaupt) in chemischen Gleichungen verwendet, daher gibt es kein Standardsymbol, um sie zu bezeichnen. In den seltenen Gleichungen, in denen Plasma verwendet wird, wird es als (p) symbolisiert.

Nichtklassische Zustände

Glas

Schematische Darstellung einer zufällig vernetzten glasartigen Form (links) und eines geordneten kristallinen Gitters (rechts) mit identischer chemischer Zusammensetzung.

Glas ist ein nichtkristalliner oder amorpher Feststoff, der beim Erhitzen in den flüssigen Zustand einen Glasübergang zeigt. Gläser können aus ganz unterschiedlichen Materialklassen bestehen: anorganische Netzwerke (wie Fensterglas, das aus Silikat und Zusätzen besteht), metallische Legierungen, ionische Schmelzen, wässrige Lösungen, molekulare Flüssigkeiten und Polymere. Thermodynamisch gesehen befindet sich ein Glas in einem metastabilen Zustand im Vergleich zu seinem kristallinen Gegenstück. Die Umwandlungsrate ist jedoch praktisch Null.

Kristalle mit einem gewissen Grad an Unordnung

Ein plastischer Kristall ist ein molekularer Festkörper mit weiträumiger Positionsordnung, bei dem die Moleküle der Bestandteile jedoch ihre Rotationsfreiheit behalten; in einem orientierenden Glas ist dieser Freiheitsgrad in einem abgeschreckten ungeordneten Zustand eingefroren.

In ähnlicher Weise ist in einem Spin-Glas die magnetische Unordnung eingefroren.

Flüssigkristallzustände

Flüssigkristallzustände haben Eigenschaften, die zwischen beweglichen Flüssigkeiten und geordneten Festkörpern liegen. Im Allgemeinen können sie wie eine Flüssigkeit fließen, weisen aber eine langreichweitige Ordnung auf. Die nematische Phase besteht zum Beispiel aus langen stäbchenförmigen Molekülen wie para-Azoxyanisol, das im Temperaturbereich von 118-136 °C nematisch ist. In diesem Zustand fließen die Moleküle wie in einer Flüssigkeit, aber sie zeigen alle in dieselbe Richtung (innerhalb jeder Domäne) und können nicht frei rotieren.

Weitere Arten von Flüssigkristallen sind im Hauptartikel über diese Zustände beschrieben. Mehrere Arten haben technologische Bedeutung, zum Beispiel in Flüssigkristallanzeigen.

Magnetisch geordnet

Übergangsmetallatome haben oft magnetische Momente aufgrund des Nettospins der Elektronen, die ungepaart bleiben und keine chemischen Bindungen eingehen. In einigen Festkörpern sind die magnetischen Momente an verschiedenen Atomen geordnet und können einen Ferromagneten, einen Antiferromagneten oder einen Ferrimagneten bilden.

In einem Ferromagneten – zum Beispiel festes Eisen – ist das magnetische Moment an jedem Atom in der gleichen Richtung ausgerichtet (innerhalb einer magnetischen Domäne). Wenn die Domänen ebenfalls ausgerichtet sind, ist der Festkörper ein Dauermagnet, der auch ohne ein äußeres Magnetfeld magnetisch ist. Die Magnetisierung verschwindet, wenn der Magnet auf den Curie-Punkt erhitzt wird, der für Eisen bei 768 °C liegt.

Ein Antiferromagnet hat zwei Netzwerke gleicher und entgegengesetzter magnetischer Momente, die sich gegenseitig aufheben, so dass die Nettomagnetisierung gleich Null ist. Bei Nickel(II)-oxid (NiO) beispielsweise ist die Hälfte der Nickelatome mit ihren Momenten in eine Richtung und die andere Hälfte in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.

Bei einem Ferromagneten sind die beiden Netzwerke magnetischer Momente entgegengesetzt, aber ungleich, so dass die Aufhebung unvollständig ist und eine Nettomagnetisierung ungleich Null besteht. Ein Beispiel ist Magnetit (Fe3O4), das Fe2+- und Fe3+-Ionen mit unterschiedlichen magnetischen Momenten enthält.

Anmerkungen und Referenzen

• 2005-06-22, MIT News: MIT-Physiker schaffen neue Form der Materie Citat: „… Sie sind die ersten, die eine neue Art von Materie geschaffen haben, ein Gas von Atomen, das Hochtemperatur-Suprafluidität zeigt.“
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Wahrscheinliche Entdeckung einer neuen, supersoliden Phase der Materie Citat: „…Wir haben offenbar zum ersten Mal ein festes Material mit den Eigenschaften eines Suprafluids beobachtet…aber weil sich alle seine Teilchen im identischen Quantenzustand befinden, bleibt es ein Festkörper, obwohl seine Teilchen ständig fließen…“
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: Ein fermionisches Kondensat
• Kurzvideos zur Demonstration von Materiezuständen, Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen von Prof. J. M. Murrell, University of Sussex