Ошибка!

Показать Ошибка!

Забыли пароль?

Ошибка!

Ошибка!

Скрыть Ошибка!

Скрыть Ошибка!

Забыли пароль? Напишите ваш email и мы отправим письмо с инструкциями.

Ошибка!

Обратно

Закрыть

Энтропия: от хаоса к порядку

Энтропия: от хаоса к порядку
Исследователи из США, пытаясь объединить крошечные частицы в полезные упорядоченные конгломераты, обнаружили неожиданного союзника: энтропию, под которой подразумевается «склонность» материи к беспорядку.


 

 

 

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.

Комментарии:

Еще нет комментариев, станьте первым коментатором!
Войдите на зайт или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии!
0
Исследование описывает одну из самых экстремальных планет во Вселенной

Исследование описывает одну из самых экстремальных планет во Вселенной

CHEOPS сдерживает своё обещание: наблюдения с помощью космического телескопа позволили выявить детали экзопланеты WASP-189b - одной из самых экстремальных известных планет.

CHEOPS - это совместная миссия Европейского космического агентства (EКA) и Швейцарии под эгидой Бернского университета в сотрудничестве с Женевским университетом. Через 8 месяцев после запуска космического телескопа CHEOPS была выпущена первая научная публикация с использованием данных CHEOPS. CHEOPS - это первая миссия ЕКА, посвященная изучению известных экзопланет, вращающихся вокруг звезд ...
28.09.20 18:58
0
1
Новые измерения показывают, что на Луне опасный уровень радиации

Новые измерения показывают, что на Луне опасный уровень радиации

Будущие исследователи Луны будут подвергаться облучению в 2-3 раза больше, чем астронавты на борту Международной космической станции, что представляет опасность для здоровья, для защиты от которой потребуются укрытия с толстыми стенами.

В исследовании отмечается, что посадочный модуль Китая на обратной стороне Луны обеспечивает первые полные измерения радиационного воздействия на поверхности Луны, что является важной информацией для НАСА и других организаций, стремящихся отправить астронавтов на Луну. Китайско-немецкая группа сообщила о радиационных данных, собранных спускаемым аппаратом Chang'e 4 (в честь китайской богини луны)...
26.09.20 19:03
0
0
Гигантская черная дыра M87* сверкает

Гигантская черная дыра M87* сверкает

В прошлом году мир впервые взглянул на реальное прямое изображение тени черной дыры.

Теперь, оглядываясь на более ранние, более рудиментарные изображения, ученые обнаружили доказательства того, что кольцо вокруг M87* колеблется, из-за чего кажется, будто она блестит. Исторический снимок прошлого года стал результатом кропотливой работы, который довел нашу технологию наблюдений до предела. Это было кульминацией многолетних усилий и планирования, но окончательный снимок был составл...
25.09.20 20:11
0
3
Странные бури на Юпитере

Странные бури на Юпитере

На южном полюсе Юпитера таится поразительное зрелище даже для планеты-гиганта, покрытой красочными полосами, с большим красным пятном. Внизу у южного полюса планеты находится группа бурных штормов, расположенных в необычной геометрической форме.

С тех пор, как они были впервые обнаружены космическим зондом НАСА Juno в 2019 году, штормы стали для ученых загадкой. Штормы аналогичны ураганам на Земле. Но на нашей планете ураганы не собираются на полюсах и не кружатся друг вокруг друга в форме пятиугольника или шестиугольника, как это делают штормы Юпитера. Исследовательская группа, работающая в лаборатории Энди Ингерсолла, профессора планет...
24.09.20 23:33
0
0
Радиация помогает самовосстановлению некоторых металлических сплавов

Радиация помогает самовосстановлению некоторых металлических сплавов

Радиация наносит вред как тканям, так и материалам. Но инженеры из Массачусетского технологического института крайне удивились, обнаружив, что она может помочь некоторым сплавам восстановиться, продлив срок их полезного использования.

Это поможет в проектировании будущих электростанций. Известно, что в ядерных реакторах радиация ускоряет коррозию большинства материалов, что приводит к возможному выходу из строя и вероятным катастрофическим последствиям. Поэтому в новом исследовании ученые из MIT и Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли намеревались определить, насколько вредна коррозия при разных уровнях радиации. Но их...
10.07.20 18:40
0
8
Бионический 3D глаз может обеспечить сверхчеловеческое зрение

Бионический 3D глаз может обеспечить сверхчеловеческое зрение

Человеческий глаз - невероятно сложный орган, поэтому неудивительно, что его нелегко реконструировать.

Исследователи представили первый в мире искусственный 3D глаз, который не только превосходит другие устройства, но и способен видеть лучше оригинала. Бионические глаза появляются как способ восстановить зрение людям, потерявшим его, и даже тем, у кого его никогда не было. В настоящее время наиболее продвинутыми являются версии таких компаний, как Bionic Vision Australia и Second Sight, которые уж...
11.06.20 18:35
0
8
Нанотехнологии – революционные возможности для системы энергоснабжения

Нанотехнологии – революционные возможности для системы энергоснабжения

Тенденции в развитии энергетики, особенно в кризисные времена, когда бесперебойное энергоснабжение является непременным условием выживания, а также в связи с планами ЕС по постепенному отказу от ископаемого топлива в период до 2050 года подразумевают перевод энергетики на генерацию без выбросов СО2 в атмосферу.

И ставят вопрос о разработке способов генерации электроэнергии, не связанных с традиционной энергетикой и базирующейся на использовании новейших материалов.В настоящее время многие научные исследования в той или иной мере связаны с возможностью преобразования падающего на Землю потока солнечных частиц. Данное направление работ является очень перспективным в связи с  появлением новых мате...
15.04.20 18:35
0
7
Новый метод сделает краски из графена

Новый метод сделает краски из графена

Графен универсален, но есть одна проблема – он не диспергирует в воде. Но швейцарские исследователи нашли относительно простой способ сделать это.

Оксид графена - это другая форма материала, которая может обеспечить стабильную дисперсию в воде, а затем может быть использована в качестве графеновой краски. Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, расположенный в виде шестиугольника. Этот обманчиво простой материал обладает рядом полезных свойств - он невероятно легкий, тонкий и гибкий, но при этом прочный. Он отличный провод...
09.04.20 19:23
0