Nano-neulat tarttuivat luisteluun

Ohut nanokuitu havaittiin paradoksaalisessa siksak-liikkeessä

Neulan siksak-liike © Münchenin yliopisto
lukea ääneen

Münchenin tutkijat ovat analysoineet yksityiskohtaisemmin pitkistä, ohuista nano-neuloista tehtyjen järjestelmien käyttäytymistä. Koska kuidut törmäävät liikkeeseen, tapahtuu yleensä vahva keskinäinen tukkeuma, koska tiedetään myös nesteiden molekyyleistä. Mutta fyysikot ovat nyt pystyneet osoittamaan odottamattoman, uuden vaikutuksen: Kuitujen diffuusio ei ole hitaampaa tukkeutumisesta huolimatta, mutta kuidut liikkuvat jopa yli 100 kertaa odotettua nopeammin - ja pitkän kantaman siksak-liikkeellä.

"Liikkeen jäljet ​​ovat samanlaisia ​​kuin luistelijan", kertoo Münchenin yliopiston tilastollisen fysiikan laitoksen Thomas Franosch lehdessä Physical Review Letters. "Pystimme työssämme selittämään lisääntyneen diffuusion perusmekanismit. Odotamme näiden tulosten johtavan haastavampaan perustutkimukseen. "

Yksinkertaisten kaasujen, kuten hapen tai heliumin, käyttäytyminen ymmärretään hyvin, koska fyysikot Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell ja Ludwig Boltzmann kehittivät kaasujen kineettisen teorian 1800-luvun puolivälissä. Tiheiden järjestelmien tilanne on kuitenkin hyvin erilainen kuin hyvin pitkät, ohuet kuidut, koska niitä tutkitaan tällä hetkellä erittäin intensiivisesti nanoteknologiassa. Kun tällainen kuitu kääntyy, se törmää heti monien muiden kuitujen kanssa, ja siinä on vahva keskinäinen tukkeuma - samanlainen kuin nesteet.

Luistelu nanomaailmassa

Tutkijat Felix Höfling, professori Erwin Frey ja Franosch havaitsivat kuitenkin nyt odottamattoman uuden vaikutuksen: kuitujen diffuusio ei hidastu voimakkaista vammoista huolimatta, mutta niiden nopeus kasvaa dramaattisesti. "Käyttämällä yksinkertaista mallia ja laajoja tietokonesimulaatioita, pystyimme havaitsemaan, että kuidut liikkuvat yli 100 kertaa odotettua nopeammin", Franosch raportoi.

Tämä vaikutus johtuu kuitujen pitkästä siksak-liikkeestä, liikkeen jäljet ​​muistuttavat luistelijan jälkiä. Fysikaalisesti muotoiltu: Kineettisen kaasuteorian aksiooma on hypoteesi molekyylisestä kaaosta, jota kutsutaan Boltzmannin puffimääräksi. Siten molekyylien liike törmäyksen jälkeen on riippumaton niiden aikaisemmasta liikkeestä. näyttö

Mutta tämä tekee tilastollisen kuvauksen mahdolliseksi satunnaisprosessien avulla, ja makroskooppiset ominaisuudet ovat riippumattomia törmäyksien mikroskooppisista yksityiskohdista.

Hypoteesi pätevä vain osittain

Pitkien kuitujen osalta työn tuloksena tämä hypoteesi on pätevä vain osittain. Vaikka liike ei ole deterministisesti ennustettavissa, siitä ei tule täysin sattumaa. Pikemminkin kuidut kulkevat suoraan pitkiä osuuksia ja muuttavat suuntaa vain hyvin hitaasti. Seurauksena on, että mikroskooppiset yksityiskohdat paranevat ja näkyvät makroskooppisessa siksak-liikkeessä.

Se, kuinka kuitua hidastuu tarkalleen sen siksak-liikkeen kärjissä ja lopulta kulkee taaksepäin, johtaa selitykseen lisääntyneelle diffuusiovakille. Huolellinen analyysi osoittaa, että diffuusiovakio liittyy neulojen tiheyteen fraktaalin kautta.

Vaikka tutkijat ovat kyenneet selvittämään lisääntyneen diffuusion perusmekanismit, on todisteita siitä, että tarkempana kuvaamiseksi fraktaalien, kaaoksen ja kvaasijaksollisten kiertoratojen matematiikka on tärkeä rooli, joka stimuloi edelleen haastavaa perustutkimusta.

(idw - Münchenin yliopisto, 26.09.2008 - DLO)