Historiskt sett görs distinktionen utifrån kvalitativa skillnader i egenskaper. Materia i fast tillstånd bibehåller en fast volym och form, med ingående partiklar (atomer, molekyler eller joner) nära varandra och fast på plats. Materia i flytande tillstånd har en fast volym, men har en variabel form som anpassar sig till sin behållare. Partiklarna ligger fortfarande nära varandra men rör sig fritt. Materia i gasform har både variabel volym och form och anpassar sig till sin behållare. Dess partiklar är varken nära varandra eller fasta på plats. Materia i plasmatillstånd har varierande volym och form, men förutom neutrala atomer innehåller den ett betydande antal joner och elektroner, som båda kan röra sig fritt. Plasma är den vanligaste formen av synlig materia i universum.

De fyra grundläggande tillstånden

Fasta

I ett fast ämne är partiklarna (joner, atomer eller molekyler) tätt packade tillsammans. Krafterna mellan partiklarna är starka så att partiklarna inte kan röra sig fritt utan endast vibrera. Som ett resultat av detta har ett fast ämne en stabil, bestämd form och en bestämd volym. Fasta ämnen kan endast ändra sin form med hjälp av kraft, till exempel när de bryts eller skärs sönder.

I kristallina fasta ämnen är partiklarna (atomer, molekyler eller joner) packade i ett regelbundet ordnat, upprepande mönster. Det finns olika kristallstrukturer, och samma ämne kan ha mer än en struktur (eller fast fas). Järn har till exempel en kroppscentrerad kubisk struktur vid temperaturer under 912 °C och en ytcentrerad kubisk struktur mellan 912 och 1394 °C. Is har femton kända kristallstrukturer, eller femton fasta faser, som existerar vid olika temperaturer och tryck.

Glas och andra icke-kristallina, amorfa fasta ämnen utan långväga ordning är inte termiska jämviktsgrundtillstånd; därför beskrivs de nedan som icke-klassiska materiatillstånd.

Foljor kan omvandlas till vätskor genom smältning och kan också övergå direkt till gaser genom sublimeringsprocessen.

Vätskor

En vätska är en nästan inkompressibel vätska som anpassar sig till formen på sin behållare men behåller en (nästan) konstant volym oberoende av trycket. Volymen är bestämd om temperaturen och trycket är konstanta. När ett fast ämne värms upp över sin smältpunkt blir det flytande, förutsatt att trycket är högre än ämnets trippelpunkt. Intermolekylära (eller interatomära eller interjoniska) krafter är fortfarande viktiga, men molekylerna har tillräckligt med energi för att röra sig i förhållande till varandra och strukturen är rörlig. Detta innebär att formen på en vätska inte är bestämd utan bestäms av dess behållare. Volymen är vanligtvis större än volymen hos motsvarande fasta ämne, det mest kända undantaget är vatten, H2O. Den högsta temperatur vid vilken en viss vätska kan existera är dess kritiska temperatur.

Gas

En gas är en komprimerbar vätska. En gas anpassar sig inte bara till formen på sin behållare utan expanderar också för att fylla behållaren.

I en gas har molekylerna tillräckligt med kinetisk energi för att effekten av intermolekylära krafter ska vara liten (eller noll för en idealgas), och det typiska avståndet mellan angränsande molekyler är mycket större än molekylstorleken. En gas har ingen bestämd form eller volym utan upptar hela den behållare där den är instängd. En vätska kan omvandlas till en gas genom uppvärmning vid konstant tryck till kokpunkten, eller annars genom att minska trycket vid konstant temperatur.

Vid temperaturer under dess kritiska temperatur kallas en gas också för ånga, och kan göras flytande enbart genom kompression utan kylning. En ånga kan existera i jämvikt med en vätska (eller ett fast ämne), i vilket fall gastrycket är lika med vätskans (eller det fasta ämnets) ångtryck.

En superkritisk vätska (SCF) är en gas vars temperatur och tryck ligger över den kritiska temperaturen respektive det kritiska trycket. I detta tillstånd försvinner skillnaden mellan vätska och gas. En superkritisk vätska har de fysiska egenskaperna hos en gas, men dess höga densitet ger i vissa fall lösningsmedelsegenskaper, vilket leder till användbara tillämpningar. Till exempel används superkritisk koldioxid för att extrahera koffein vid tillverkning av koffeinfritt kaffe.

Plasma

Likt en gas har plasma ingen bestämd form eller volym. Till skillnad från gaser är plasma elektriskt ledande, producerar magnetfält och elektriska strömmar och reagerar starkt på elektromagnetiska krafter. Positivt laddade kärnor simmar i ett ”hav” av fritt rörliga disassocierade elektroner, på samma sätt som sådana laddningar existerar i ledande metall. Det är faktiskt detta elektron-”hav” som gör att materia i plasmatillstånd kan leda elektricitet.

Plasmatillståndet missförstås ofta, men det är faktiskt ganska vanligt på jorden, och majoriteten av människor observerar det regelbundet utan att ens inse det. Blixtar, elektriska gnistor, lysrörslampor, neonljus, plasma-tv-apparater, vissa typer av flammor och stjärnorna är alla exempel på belyst materia i plasmatillstånd.

En gas omvandlas vanligen till en plasma på ett av två sätt, antingen genom en enorm spänningsskillnad mellan två punkter, eller genom att utsätta den för extremt höga temperaturer.

Uppvärmning av materia till höga temperaturer gör att elektroner lämnar atomerna, vilket resulterar i att det finns fria elektroner. Vid mycket höga temperaturer, som de som finns i stjärnor, antas det att i princip alla elektroner är ”fria”, och att en mycket högenergiplasma i huvudsak består av nakna atomkärnor som simmar i ett hav av elektroner.

Fasövergångar

Detta diagram illustrerar övergångar mellan materiens fyra grundläggande tillstånd.

Ett materietillstånd kännetecknas också av fasövergångar. En fasövergång indikerar en förändring i strukturen och kan kännas igen genom en plötslig förändring av egenskaperna. Ett distinkt materiatillstånd kan definieras som varje uppsättning tillstånd som skiljer sig från varje annan uppsättning tillstånd genom en fasövergång. Vatten kan sägas ha flera olika fasta tillstånd. Uppkomsten av supraledning är förknippad med en fasövergång, så det finns supraledande tillstånd. På samma sätt avgränsas ferromagnetiska tillstånd av fasövergångar och har distinkta egenskaper. När tillståndsförändringen sker i etapper kallas mellanstegen för mesofaser. Sådana faser har utnyttjats genom införandet av tekniken med flytande kristaller.

Tillståndet eller fasen hos en viss mängd materia kan förändras beroende på tryck- och temperaturförhållanden och övergå till andra faser när dessa förhållanden förändras för att gynna deras existens; till exempel övergår fast ämne till vätska med ökad temperatur. I närheten av den absoluta nollpunkten existerar ett ämne som ett fast ämne. När värme tillförs detta ämne smälter det till en vätska vid sin smältpunkt, kokar till en gas vid sin kokpunkt och om det upphettas tillräckligt mycket skulle det gå in i ett plasmatillstånd där elektronerna får så mycket energi att de lämnar sina moderatomer.

Materieformer som inte består av molekyler och är organiserade av olika krafter kan också betraktas som olika materiatillstånd. Superfluider (som fermioniskt kondensat) och kvark-gluonplasma är exempel på detta.

I en kemisk ekvation kan kemikaliers materiatillstånd visas som (s) för fast, (l) för flytande och (g) för gas. En vattenlösning betecknas med (aq). Materia i plasmatillstånd används sällan (om alls) i kemiska ekvationer, så det finns ingen standardsymbol för att beteckna det. I de sällsynta ekvationer som plasma används i symboliseras plasma med (p).

Nonklassiska tillstånd

Glas

Skematisk framställning av en glasform med slumpmässigt nätverk (vänster) och ett ordnat kristallint gitter (höger) med identisk kemisk sammansättning.

Glas är ett icke-kristallint eller amorft fast material som uppvisar glasövergång när det värms upp mot flytande tillstånd. Glas kan tillverkas av helt olika klasser av material: oorganiska nätverk (t.ex. fönsterglas, som består av silikat plus tillsatser), metalliska legeringar, joniska smältämnen, vattenlösningar, molekylära vätskor och polymerer. Termodynamiskt sett befinner sig ett glas i ett metastabilt tillstånd i förhållande till sin kristallina motsvarighet. Omvandlingshastigheten är dock praktiskt taget noll.

Kristaller med viss grad av oordning

En plastisk kristall är en molekylär fast substans med positionell ordning på långa avstånd men där de ingående molekylerna behåller sin rotationsfrihet; i ett orienteringsglas är denna frihetsgrad frusen i ett släckt oordnat tillstånd.

Samma sak gäller i ett spinnglas där den magnetiska oordningen är frusen.

Vätskekristalltillstånd

Vätskekristalltillstånd har egenskaper som ligger mellan rörliga vätskor och ordnade fasta ämnen. I allmänhet kan de flyta som en vätska, men uppvisar långväga ordning. Den nematiska fasen består till exempel av långa stavliknande molekyler som para-azoxyanisol, som är nematisk i temperaturområdet 118-136 °C. I detta tillstånd flödar molekylerna som i en vätska, men de pekar alla i samma riktning (inom varje domän) och kan inte rotera fritt.

Andra typer av flytande kristaller beskrivs i huvudartikeln om dessa tillstånd. Flera typer har teknisk betydelse, till exempel i flytande kristallskärmar.

Magnetiskt ordnade

Trängmetallatomer har ofta magnetiska moment på grund av nettospinnet hos de elektroner som förblir oparade och inte bildar kemiska bindningar. I vissa fasta ämnen är de magnetiska momenten på olika atomer ordnade och kan bilda en ferromagnet, en antiferromagnet eller en ferrimagnet.

I en ferromagnet – till exempel fast järn – är det magnetiska momentet på varje atom inriktat i samma riktning (inom en magnetisk domän). Om domänerna också är riktade är fastämnet en permanentmagnet, som är magnetisk även i avsaknad av ett yttre magnetfält. Magnetiseringen försvinner när magneten värms upp till Curiepunkten, som för järn är 768 °C.

En antiferromagnet har två nätverk av lika och motsatta magnetiska moment, som upphäver varandra så att nettomagnetiseringen är noll. Till exempel i nickel(II)oxid (NiO) har hälften av nickelatomerna moment som är riktade i en riktning och hälften i motsatt riktning.

I en ferrimagnet är de två nätverken av magnetiska moment motsatta men ojämna, så att upphävandet är ofullständigt och det finns en nettomagnetisering som inte är noll. Ett exempel är magnetit (Fe3O4), som innehåller Fe2+- och Fe3+-joner med olika magnetiska moment.

Anteckningar och referenser

• 2005-06-22, MIT News: MIT-fysiker skapar ny form av materia Citat: ”De har blivit de första att skapa en ny typ av materia, en gas av atomer som uppvisar superfluiditet vid hög temperatur.”
• 2003-10-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: Vi har tydligen för första gången observerat ett fast material med egenskaperna hos en superfluid… men eftersom alla dess partiklar befinner sig i samma kvanttillstånd förblir det en fast substans även om dess beståndsdelar ständigt flödar…”
• 2004-01-29, ScienceDaily: ”En ny fas av superfysikalisk materialitet, en ny fas av superfysikalisk substans, som är en ny fas av superfysikalisk substans: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: En fermionisk kondensat
• Kort video som visar materiens tillstånd, fasta ämnen, vätskor och gaser av professor J M Murrell, University of Sussex