Асимметричные паттерны могут образовываться из-за симметричных сил

Пример двумерного шаблона, который не может быть получен сам из себя
путем поворота и параллельного перемещения. Как показало математическое
моделирование, данная хиральная модель может быть получена в результате
действия между всеми частицами сферически-симметричных сил. (кликните картинку для увеличения)

Пример двумерного шаблона, который не может быть получен сам из себя путем поворота и параллельного перемещения. Как показало математическое моделирование, данная хиральная модель может быть получена в результате действия между всеми частицами сферически-симметричных сил. (кликните картинку для увеличения)

28.04.2012 (8:58)
Просмотров: 3233
Рейтинг: 0.67
Голосов: 3

Теги:
хиральность, структура, частица, точка,
Естественные науки >> Физика






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Одной из основных загадок в науке до сих пор остается наличие хиральности, т.е. отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны, так распространенное в природе, несмотря на симметрию фундаментальных законов взаимодействия. Но последние исследования ученых из Швеции доказывают, что хиральность может возникать спонтанно даже в системах с симметричными начальными условиями. Проведенное ими недавно математическое моделирование показало, что сферически-симметричные силы взаимодействия между частицами могут привести к их самоорганизации в удивительные ассиметричные (хиральные) двумерные структуры. Данная работа демонстрирует упрощенный пример отсутствия симметрии, которое наблюдается во многих химических и биологических системах.

Наиболее известный пример хиральности в биологии – это молекула ДНК, которая является правой спиралью. Хиральность может встречаться и в фундаментальной науке. Слабые ядерные взаимодействия, к примеру, различают так называемые право- и лево-ориентированные частицы. Зеркально отраженные частицы взаимодействуют иначе, чем «односторонние».

Традиционно хиральность описывается в трех измерениях. Например: правая и левая руки выглядят похожими, но они никогда не смогут быть совмещены поворотом или перемещением. В терминах двумерного пространства, рука всегда будет выглядеть отраженной в зеркале, вне зависимости от того, как ее повернут на плоскости.

Исследователям уже давно известно, что ассиметричные (хиральные) «строительные блоки» могут привести к возникновению хиральности больших структур. Но теперь группа исследователей из Chalmers University of Technology (Швеция) доказала, что хиральность может возникать спонтанно и в элементарных системах. Своим математическим моделированием ученые показали, что точечные частицы, взаимодействующие посредством сферически симметричных сил, могут образовывать двумерные хиральные картины.

Существует несколько периодических двумерных структур точек, не имеющих симметрии относительно правой и левой стороны. Для первоначальных расчетов команда выбрала ту, в основе которой лежат треугольники, образованные соединениями каждой пары из трех точек и имеющие разные длины сторон. Они использовали математические техники, предназначенные для своего рода работы в «обратном порядке» для определения типа взаимодействия, формирующего данный шаблон. В соответствии с условиями задачи, каждая частица взаимодействует с любой другой частицей; при этом сила взаимодействия зависит только от расстояния между частицами (и, следовательно, одинакова во всех направлениях). В рамках методики исследователи оценили полную энергию взаимодействия всех пар в системе; минимум этой энергии гарантирует применимость полученного шаблона для данного закона.

Сила, которая была вычислена по заданным условиям, представляет собой сложное сочетание притяжения и отталкивания на разных расстояниях между частицами. Проведенное впоследствии моделирование показало, что случайный набор частиц, подверженный воздействию этой силы, действительно образует картину из разносторонних треугольников с лево- и право-ориентированными зонами. В рамках эксперимента была рассчитана и другая модель – сочетание «неправильных» шестиугольников, окруженных треугольниками.

Хотя математическое моделирование дало теоретически-существующий результат, воссоздать подобную силу взаимодействия в лаборатории будет крайне сложно. Несмотря на это, работа является значимым прорывом в данном направлении, т.к. ученые дали ответ на важнейший вопрос о возможности формирования хиральных структур из нехиральных строительных блоков. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное





Rambler's Top100