当液体和气体相遇时原子会有什么神奇反应?

潮州网 2019-07-15

原子如何在最小尺度上排列曾被认为遵循“鼓皮”规则,但数学家们现在找到了一个更简单的解决办法。不同材料中的原子排列可以提供许多关于材料性质的信息,以及改变材料用途的可能性。然而当两种材料接触时(在它们的界面上)会产生复杂的相互作用,这使得预测原子的排列变得困难。如今伦敦帝国理工学院(Imperial College London)和马德里大学(university of Carlos III de Madrid)的研究人员在《自然物理》(Nature Physics)上发表的一篇论文中,提出了一种新的模型,能够更好地预测原子之间的排列关系。

博科园-科学科普?来自帝国理工学院数学系的安德鲁·帕里教授是论文的合著者说:这是一种全新的观察液气界面的方式。它也可以应用于其他类型的界面:每当两种不同的材料走到一起,我们想知道原子是如何相互联系的,这些想法就可以被使用。气体和液体在哪里相遇:复杂的情况当物质处于固态时,它们的原子排列成非常均匀的模式——像网格、薄片和晶格。这意味着,知道一个原子的位置可以揭示其所有相邻原子的位置。然而在液体和气体中,原子的排列在整个材料的体积中是非常不同的。原子可能被“局部地”更紧密地聚集在一起,导致更密集的区域,并可能迅速改变。

当液体和气体相遇时原子会有什么神奇反应?

图片:CC0 Public Domain

这些情况中最复杂的一种是液体和气体相遇的时候。帕里教授说:如果你想象一杯水,与空气接触的上层水与下层水的作用是不同的,它有表面张力。当你扰动表面时,例如敲击玻璃,涟漪会改变表面水原子的模式。在一杯水中,由涟漪产生的原子排列被认为是由“鼓皮”式的行为引起的——表面张力意味着水被拉得像鼓一样紧,并在受到扰动时做出相应的反应。以前人们认为这种行为也在原子尺度上起作用:在单个原子的层次上,也发生了同样的鼓皮行为,以某种方式对原子进行排序。然而对原子在这种情况下的行为进行的大型模拟和计算并没有像预期的那样显示出鼓皮行为的缩小版。现在来自马德里卡洛斯三世大学的帕里教授和卡洛斯·拉斯康博士已经找到了一系列解决这个问题的新方法,这些方法并不依赖于鼓皮的类比。

通过结合表面受扰动时产生的波纹以及原子如何在局部聚集的信息,这两人能够揭示原子如何在相互之间排列。帕里教授说:每当我们在更大的尺度上看到诸如温度、压力和表面张力等现象时,这些现象通常来自于我们在微观世界中观察到的概念。因此在这种情况下,鼓皮的行为产生于微观层面上完全不同的东西。现在可以不必过分夸大鼓皮的比喻,就能得到该系统潜在的简单性。新的理论和解决方案与迄今为止最大的液-气界面行为模拟结果相匹配,模拟结果比鼓皮模型要好得多。由A.O.帕里和C.拉斯康合著的《流体界面区域的戈德斯通模态和共振》发表在《自然物理》上。

博科园-科学科普|研究/来自:伦敦帝国理工学院

参考期刊文献:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-018-0361-z

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