Нано-нарушители законов макрофизики
 Два атомарных кластера, готовых к столкновению в компьютерных экспериментах Kuninaka и Hayakawa. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Как показывают результаты моделирования, опубликованные в журнале Physical Review E, существуют условия, при которых два кластера из наночастиц, обладающих некой внутренней энергией, при определенных условиях могут разлетаться после столкновения с большей кинетической энергией, чем имели до взаимодействия. Казалось бы, это нарушает второй закон термодинамики, согласно которому тепловая энергия при таком процессе не может напрямую перейти в кинетическую, однако, подобное поведение не является необычным явлением для столь маленьких объектов.
В теории ударов взаимодействие двух тел при столкновении принято характеризовать коэффициентом восстановления, который зависит от свойств взаимодействующих тел и показывает, какая часть первоначальной скорости тел друг относительно друга останется после удара. Коэффициент восстановления принимает значения от 1 (для абсолютно упругого удара) до 0 (для случая склеивания двух тел). Макроскопические столкновения практически всех тел характеризуются коэффициентом восстановления менее 1; при этом кинетическая энергия, потерянная вследствие удара, преобразуется в остаточную деформацию каждого из тел, а также в тепловую энергию. В макроскопическом мире коэффициент восстановления не может быть более единицы.
Однако, объекты, размер которых не превышает нескольких нанометров, подчиняются другим законам. Согласно исследованиям Hiroto Kuninaka из Chuo University (Токио) и Hisao Hayakawa из Kyoto University, при столкновениях нанокластеров коэффициент восстановления может достигать 1,05.
Интерес, проявленный учеными к нанокластерам, объясняется тем, что именно с этими объектами приходится сталкиваться при производстве тонких молекулярных пленок на подложке для последующего использования в различных областях технологии. Ранее проблема столкновения нанокластеров уже затрагивалась в исследовательских работах. При этом существовало два общепринятых научных подхода к решению задачи. Первый подход предлагал пренебречь строением кластера, рассматривая его как неупругую сплошную сферу, но при этом изучать взаимодействия на любых скоростях. Второй подход сосредотачивал внимание на молекулярном строении кластеров, но использовался только для учета высокоскоростных взаимодействий (со скоростью сближения кластеров выше скорости теплового движения отдельных атомов). В своей работе исследователи объединили эти два подхода, рассмотрев кластеры, состоящие из нескольких сотен отдельных частиц при невысоких скоростях взаимодействия (менее скорости теплового движения). Исследование не подразумевало моделирования поведения какого-то конкретного вещества, однако, за основу учеными был взят пример из «реальной жизни»: похожим образом вели бы себя кластеры из атомов аргона, сталкивающиеся со скоростью около 10 м/сек при температуре около 2 градусов по шкале Кельвина.
Проведенное моделирование показало: в зависимости от силы взаимодействия отдельных атомов внутри кластеров, после столкновения они либо склеивались, либо разлетались, подобно бильярдным шарам, что в целом совпадает с предыдущими теоретическими исследованиями. Однако, ранее теоретические расчеты не показывали, что существует некое пороговое значение для энергии связей, при котором коэффициент восстановления (как он понимается в макроскопической теории) становился выше 1. Как объяснили этот эффект исследователи, при повышении температуры, тепловое движение атомов давало дополнительную энергию разлетающимся после столкновения кластерам. С макроскопической точки зрения – это очевидное нарушение второго закона термодинамики. Однако, для микроскопического мира это не удивительно, т.к. здесь тепловые движения могут иметь тот же порядок, что и движение самих наночастиц.
К слову, не менее интересные явления можно ожидать и при столкновении одного нанокластера с поверхностью. Например, работа [2], опубликованная в журнале Physical Review B в августе 2008 года, рассматривала феномен столкновений кластера из атомов кремния с поверхностью на скоростях 900 и 2000 метров в секунду. Вопреки ожиданиям, при меньшей скорости нанокластер отскакивал от поверхности, а при большей – прилипал к ней.
Исследователи полагают, что их работа, не имея прямого практического применения, может быть в будущем полезна при исследовании столкновений микроскопической пыли (астрофизические исследования), а также при конструировании наноустройств
Также по теме:
Источники:
- H. Kuninaka, and H. Hayakawa. Simulation of Cohesive Head on Collisions of Thermally Activated Nanoclusters, Phys. Rev. E 79, 031309
- M. Suri and T. Dumitrică. Efficient Sticking of Surface Passivated Si Nanospheres Via Phase Transition Plasticity, Phys. Rev. B 78, 081405