Энтропия: от хаоса к порядку

Компьютерное моделирование, произведенное специалистами из Университета в Мичигане (University of Michigan), показало, что энтропия способна «подталкивать» частицы к формированию организованных структур. Анализируя форму частиц, ученые теперь могут заранее прогнозировать, какой тип структуры должен образоваться.

Об этой работе рассказывается в еженедельном издании Science. Исследование поможет более точно установить принципы создания новых материалов с необычными свойствами, к примеру, для разработки специального покрытия для транспортных средств, изменяющего свою форму или улучшающего аэродинамические характеристики.

Профессор Шэрон Глотцер (Sharon Glotzer), занимающаяся физикой и химической инженерией, предполагает, что подобный материал можно будет получить, если предварительно подобрать определенные типы наночастиц, основываясь на желаемых качествах будущего материала. Наночастицы размером в тысячи раз меньше толщины паучьей нити способны группироваться в такие объекты, которые невозможно создать обычными химическими методами.

Главная задача заключается в том, чтобы «убедить» наночастицы объединиться в нужную структуру, однако недавние научные изыскания, осуществленные командой под руководством Шэрон Глотцер, продемонстрировали, что некоторые частицы простой геометрической формы начинают спонтанно группироваться, если их расположить на небольшом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве.

Модель кристаллообразной структуры, которая формируется из наночастиц в замкнутом пространстве 

Ученые попробовали выяснить, что произойдет, если выбрать другую форму частиц.

«Мы изучили 145 различных вариантов, и это дало нам гораздо больше информации о таких частицах, чем кто-либо когда-либо мог о них получить», - поясняет Шэрон. «Имея такие данные, мы можем поразмышлять над ответом на вопрос: как много видов структур реально создать, отталкиваясь лишь от формы частиц?»

Используя компьютерную программу, написанную исследователем в области химической инженерии, Майклом Энгелем (Michael Engel), аспирант прикладной физики Пабло Дамасцено (Pablo Damasceno) провел тысячи виртуальных экспериментов, наблюдая за тем, какие структуры образовывались из частиц определенной формы в зависимости от условий изначальной группировки. Программа способна работать с произвольными многогранными формами вроде игральных костей с любым количеством граней.

Оставленные без присмотра, свободно блуждающие частицы проявляют наивысшую степень энтропии. Это согласуется с идеей о том, что энтропия приводит к хаосу, если у частиц имеется достаточно свободного пространства: тогда они рассеиваются, двигаясь без какого-либо порядка. Но если частицы тесно сгруппированы, они начинают формировать кристаллические структуры – подобно атомам – даже несмотря на то, что они не способны создавать взаимные связи. Получается, что и такие, упорядоченные кристаллы представляют собой образования с высоким уровнем энтропии.

Шэрон отмечает, что на самом деле это - не появление порядка из хаоса: представления об энтропии нужно пересмотреть. Наоборот, исследователь называет энтропию «мерой возможностей». Если отключить гравитацию и высыпать содержимое сумки, набитой игральными костями, в контейнер, то кости разлетятся в разных направлениях. Но если продолжить добавлять новые кости, свободно пространства станет так мало, что игральные кости начнут «приставать» друг к другу. То же самое происходит и с наночастицами, которые настолько малы, что подвержены влиянию энтропии намного сильнее, чем воздействию гравитации.

Данный квазикристалл представляет собой структуру, в которой тетраедры "упакованы" наиболее плотно (Рекорд плотности укладки был побит командой Шэрон Глотцер в 2009 году)

«Все дело в возможностях максимально взаимодействовать между собой, которые открываются перед частицами именно благодаря упорядоченной структуре», - объясняет Шэрон.

Результаты моделирования указывают на то, что около 70 процентов  протестированных форм создают кристалло-подобные структуры под влиянием энтропии. Но ученые были особенно удивлены тем, насколько сложными получаются некоторые из этих структур – содержащие до 52 сгруппированных определенным образом частиц в «гранулах», из которых и составлен кристалл.

«Даже атомам чрезвычайно сложно образовать настолько сложные кристаллические структуры – не говоря уже о наночастицах, которые, в отличие от атомов, не обладают химическими связями», - подчеркивает Шэрон.

Исследованные формы частиц производят три типа кристаллов: обычные кристаллы наподобие соли, жидкие кристаллы, похожие на те, что используются в LCD-дисплеях, и пластические кристаллы, в которых частицы могут вращаться на месте. По словам Дамасцено, анализируя форму кристаллов и то, как группы частиц ведут себя перед кристаллизацией, можно предсказать, какой тип кристалла сформируют частицы.

Черные дыры, вероятно, играют важнейшую роль в процессах, связанных с энтропией Вселенной

«Секрет поведения частиц состоит в их геометрии», - замечает Пабло.

Хотя, почему оставшиеся 30 процентов не образуют кристаллические структуры, пока остается загадкой.

«Они, вероятно, хотят сформировать кристалл, но им что-то мешает. Поразительно, но с любой из таких частиц мы можем сопоставить частицы крайне похожей формы, которым удается создать упорядоченную структуру», - дополняет Шэрон.

Команда исследователей намерена не только лучше изучить способы группировки наночастиц, но и узнать, почему некоторые формы сопротивляются упорядочиванию.

Научная работа проводилась при поддержке Министерства обороны, а также министерства Энергетики США, Национального Научного Фонда и Германского Исследовательского Фонда. Статья озаглавлена «Прогнозируемая Само-организация Многогранников в Сложные Структуры».

N.B. Шэрон Глотцер является профессором химической инженерии в Университете в Мичигане, а также профессором материаловедения и макромолекулярной физики в Колледже Литературы, Науки и Искусств при Университете в Мичигане.