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
Жидкие примеси алмазов позволяют по-новому взглянуть на древнюю Землю

Жидкие примеси алмазов позволяют по-новому взглянуть на древнюю Землю

Геологи изучили крошечные карманы жидкостей, заключенных в алмазах, чтобы лучше понять, насколько древними могут быть любимые камни человечества.

При этом они определили три различных периода образования алмазов в Африке за последние несколько миллиардов лет, имеющих интригующие последствия для истории планеты. Каким бы красивым ни был бриллиант в кольце или ожерелье, он чрезвычайно скучен с геологической точки зрения. Это связано с тем, что бриллианты ювелирного качества, столь ценимые в ювелирной промышленности, должны быть как можно бол...
12.05.21 09:57
0
2
Вояджер-1 уловил плазменный гул в космической пустоте

Вояджер-1 уловил плазменный гул в космической пустоте

Вояджер-1 - один из двух космических кораблей-близнецов НАСА, запущенных 44 года назад и теперь являющийся самым далеким созданным человеком объектом в космосе - все еще работает и приближается к бесконечности.

Корабль давно миновал край Солнечной системы через гелиопаузу (границу Солнечной системы с межзвездным пространством) в межзвездную среду. Теперь его инструменты обнаружили постоянный гул межзвездного газа (плазменные волны), гласит исследование Корнельского университета, опубликованное в журнале Nature Astronomy. Стелла Кох Окер, докторант Корнельского университета по астрономии, обнаружила это ...
11.05.21 09:57
0
-1
SpaceX запустит лунную миссию, оплаченную криптовалютой Dogecoin

SpaceX запустит лунную миссию, оплаченную криптовалютой Dogecoin

SpaceX запустит спутник к Луне в следующем году, полностью финансируемый за счет криптовалюты Dogecoin, объявила в воскресенье канадская компания Geometric Energy Corporation, которая возглавит лунную миссию.

Спутник DOGE-1, будет запущен на борту ракеты SpaceX Falcon 9 в первом квартале 2022 года, сообщает в своем заявлении компания из Калгари. Согласно ему, кубический спутник весом 40 килограммов будет нацелен на получение «лунно-пространственной разведки с датчиков и камер на борту». «Миссия DOGE-1 на Луну будет первой коммерческой лунной полезной нагрузкой в ??истории, оплачиваемой полностью с по...
10.05.21 21:00
0
3
Ступень китайской ракеты распалась над Индийским океаном

Ступень китайской ракеты распалась над Индийским океаном

Китайское космическое агентство заявило, что сегмент китайской ракеты вошел в атмосферу Земли и распался над Индийским океаном в воскресенье.

Официальные лица в Пекине заявили, что неконтролируемая часть ракеты Long March-5B, которая 29 апреля запустила на орбиту Земли первый модуль новой космической станции Китая, представляет небольшой риск. Но американское космическое агентство НАСА и некоторые эксперты заявили, что Китай повел себя безответственно, поскольку неконтролируемое возвращение в атмосферу такого большого объекта чревато по...
09.05.21 13:55
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
1
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
7
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