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
Астрономы открывают молодую планету

Астрономы открывают молодую планету

Международной группой ученых во главе с преподавателями, студентами и выпускниками Гавайского университета Маноа была открыта одна из самых молодых планет.

Вокруг различных звезд были обнаружены тысячи планет, но новая находка отличается тем, что совсем недавно сформировалась и ее можно наблюдать напрямую. Планета, получившая имя 2M0437b, присоединяется к объектам, расширяющим наше понимание того, как планеты формируются и изменяются со временем, помогая пролить новый свет на происхождение Солнечной системы и Земли. «Это случайное открытие пополнило...
24.10.21 18:58
0
1
DAVINCI разгадает 10 загадок Венеры

DAVINCI разгадает 10 загадок Венеры

Поверхность Венеры совершенно негостеприимна для жизни: бесплодная, сухая, раздавленная атмосферой, которая в 90 раз превышает давление Земли, и обжарена при температурах, в 2 раза превышающих температуру печи. Но всегда ли так было? Могла ли Венера когда-то быть двойником Земли - обитаемым миром с океанами жидкой воды? Это одна из многих загадок, связанных с нашей соседкой.

Прошло 27 лет с тех пор, как в последний раз миссия НАСА «Магеллан» совершила оборот вокруг Венеры. Это была последняя миссия НАСА на сестру-соседку Земли, и, хотя с тех пор мы приобрели значительные знания о Венере, остается множество загадок о планете, которые остаются нерешенными. Миссия НАСА DAVINCI (Исследование благородных газов, химии и визуализации глубокой атмосферы Венеры) надеется измен...
23.10.21 15:27
0
2
Южная Корея запустила свою первую космическую ракету

Южная Корея запустила свою первую космическую ракету

Южная Корея запустила свою первую космическую ракету отечественного производства в четверг, но не смогла вывести на орбиту фиктивный полезный груз, что стало неудачей в попытках страны пополнить ряды передовых космических держав.

Корейская космическая ракета-носитель II, неофициально называемая Нури (Nuri) и украшенная флагом Южной Кореи, поднялась вверх от Кохына на южном побережье, оставляя за собой столб пламени. Все три ступени ракеты сработали, подняв ее на высоту 700 километров, и полезный груз весом 1,5 тонны успешно отделился, сказал президент Мун Чжэ Ин после наблюдения за запуском в центре управления. Но «вывод ...
22.10.21 11:30
0
1
Астрономы обнаружили планету, потерявшую атмосферу из-за столкновения

Астрономы обнаружили планету, потерявшую атмосферу из-за столкновения

Молодые планетные системы обычно часто сталкиваются и сливаются, образуя все более крупные планеты. В Солнечной системе Земля и Луна считаются продуктами такого гигантского удара. Астрономы предполагают, что подобные столкновения должны быть обычным явлением в ранних системах, но их трудно наблюдать вокруг других звезд.

Астрономы из Массачусетского технологического института, Национального университета Ирландии в Голуэе, Кембриджского университета и других обнаружили свидетельства гигантского удара, произошедшего в соседней звездной системе, всего в 95 световых годах от Земли. Возраст звезды HD 172555, составляет около 23 миллионов лет, и ученые подозревали, что в ее пыли есть следы недавнего столкновения. Коман...
21.10.21 12:20
0
0
Одежда OmniFiber записывает и воспроизводит модели дыхания

Одежда OmniFiber записывает и воспроизводит модели дыхания

Представьте себя певцом-любителем или спортсменом на тренировке и возможность «почувствовать», как дышит профессионал во время выступления. Это лишь одно из возможных применений нового «умного» волокна, которое также может найти применение в медицине.

Технология, известная как OmniFiber, разрабатывается учеными из Массачусетского технологического института, Уппсальского университета и Королевского технологического института Швеции. Она принимает форму недорогих растяжимых нитевидных волокон с внешней плетеной полимерной оболочкой, нижележащего слоя мягкого материала, который определяет растяжение или сжатие как изменение электрического сопроти...
17.10.21 13:24
0
1
Переработанные отходы целлюлозных заводов придают цементу прочность и эластичность

Переработанные отходы целлюлозных заводов придают цементу прочность и эластичность

Целлюлозные заводы производят значительное количество отходов, и ученые довольно творчески подходят к тому, как их можно использовать.

Последний пример исходит от исследователей Университета Британской Колумбии (UBC), которые использовали отходы целлюлозного завода в качестве наполнителя для цемента, который оказался более прочным и устойчивым. Отходы, лежащие в основе этого прорыва, известны как зола уноса целлюлозных заводов (PFA), которую целлюлозно-бумажная промышленность Северной Америки производит более миллиона тонн ежего...
11.04.21 16:09
0
2
Проводящий гидрогель может найти применение в робототехнике и не только

Проводящий гидрогель может найти применение в робототехнике и не только

Сейчас для создания устройства с высокой электропроводностью придется использовать твердые металлы. Но теперь ученые из Университета Карнеги-Меллона создали мягкий и гибкий материал, отвечающий всем требованиям.

Под руководством профессора Кармеля Маджиди исследователи начали с суспендирования чешуек серебра микрометрового размера в полиакриламидно-альгинатном гидрогеле. Когда этот материал впоследствии был частично дегидратирован, чешуйки серебра сцепились друг с другом, образуя сети, проходящие через матрицу гидрогеля. Эти сети были не только очень электропроводными, но и могли противостоять механическ...
21.03.21 13:29
0
2
Бактериальная биопленка выжимает масло из воды

Бактериальная биопленка выжимает масло из воды

Масло и воду очень трудно разделить, что затрудняет очистку загрязненной воды. Исследователи из Университета Северной Каролины обнаружили, что мембрана из бактериальной биопленки может эффективно пропускать воду, удерживая при этом масло.

Нефть представляет серьезную опасность для окружающей среды, когда случаются огромные разливы нефти, такие как Deepwater Horizon, но даже в меньших масштабах загрязнение может происходить в результате промышленных процессов. Всегда востребованы новые решения по очистке. В новом исследовании исследователи Университета Северной Каролины обратились за помощью к бактериям. Чтобы защитить себя от вред...
09.03.21 22:34
0