50-годишна загадка на статистическата механика е решена от международен екип изследователи, които доказаха, че двуизмерните (2D) течности имат коренно различни динамични свойства в сравнение с триизмерните (3D) течности, съобщава SciTechDaily.
Изследователите рeдовно използват 2D експерименти и симулации, за да представят 3D течности, просто защото изследванията в 2D са по-лесни за извършване.
В такива изследвания физиците си поставят за цел да осмислят познатите свойства на макроскопичната течност, като вискозитета, по отношение на микроскопичното движение на частиците, което в 2D може да бъде директно визуализирано.
Екипът, ръководен от доц. Масимо Пика Чиамара (Massimo Pica Ciamarra) от Технологичния университет Нанянг, Сингапур (NTU Singapore), се опитва да разбере „топлинното движение“ на атомите в 2D и 3D течности.
Изображение на атомни траектории в двумерна течност, генерирано от компютърни симулации. Повечето траектории са удължени, а удължението на близките траектории е подобно. Това са визуалните следи на колективните движения, открити от Li et al., който демонстрира фундаменталната разлика между двумерните и триизмерните течности. Кредит: NTU Singapore
Използвайки комбинация от изчисления на ръка и числени симулации, те установиха, че атомите в 2D течностите могат да изминат дълги разстояния, преди ефективно да „забравят“ първоначалните си позиции. Това поведение поражда фино колективно движение на атомите от вид, за който по-рано се смяташе, че се среща само в твърди частици.
За да потвърдят теоретичните си открития, изследователите извършили експерименти, които проследяват движенията на колоидните частици под микроскоп. В обикновените триизмерни течности такива частици изпълняват тип произволно движение, известно като брауново движение.
Но при двуизмерни течности екипът успя да демонстрира, че брауновото движение се наслагва върху мащабните колективни движения. По-рано се смяташе, че това колективно движение се среща само в двумерни твърди частици, както е предвидено през 60-те години от Мермин и Вагнер.
Теоремата на Мермин-Вагнер (теорема на Мермин-Вагнер-Хоенберг) е твърдение в квантовата теория на полето и статистическата механика, според което непрекъснатите симетрии не могат да бъдат нарушени спонтанно при крайна температура в системи с достатъчно късодействащи взаймодействия при размерностти d≤2. Интуитивно това означава, че далекодействащите флуктуации могат да бъдат създадени с малко енергия и тъй като увеличават ентропията, те са предпочитани. Липсата на спонтанна симетрия при нарушаване на d≤2 бе строго доказана от Коулман (Sidney Coleman) в теорията на квантовите полета през 1973 г. и от Дейвид Мермин (David Mermin), Хърбърт Вагнер (Herbert Wagner) и Пиер Хоенберг (Pierre Hohenberg) в статистическата физика.
Доказателството за фундаменталната разлика между 2D и 3D течностите е получено от изследователи от Технологичния университет Нанянг, Сингапур, Центъра за усъвършенствани научни изследвания "Джавахарлал Неру" в Индия, Китайския университет за наука и технологии и Калифорнийския университет, Лос Анджелис.
Работата им е публикувана през ноември в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
„Нашето откритие показва, че двуизмерните и триизмерните течности не са просто варианти на едно и също, а по същество различни видове материя“, коментира доц. Пика Чиамара.
„Нашите открития помагат да се обяснят много озадачаващи разлики между динамичните свойства на дву- и триизмерните течности, докладвани в научната литература“, разказва доц. Пика Циамара. „Само в 2D, а не в 3D или по-високи измерения, времето за релаксация не е обратно пропорционално на дифузивността на частиците.“
„За извличане на подходяща информация за динамиката на 3D течностите от 2D изследванията изследователите трябва да разработят начин за селективно филтриране на ефекта от наблюдаваните колективни колебания на частици“ добавя д-р Ли, съавтор на това проучване.
Справка: “Long-wavelength fluctuations and anomalous dynamics in 2-dimensional liquids” by Yan-Wei Li, Chandan K. Mishra, Zhao-Yan Sun, Kun Zhao, Thomas G. Mason, Rajesh Ganapathy and Massimo Pica Ciamarra, 28 October 2019, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.1909319116
Източник: 50-Year-Old Mechanics Puzzle Solved: Physicists Prove 2D and 3D Liquids Are Fundamentally Different, SciTechDaily
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари