Что, если частицы в толпе не замедляются, а движутся быстрее? Физики из Лейденского университета совместно провели исследование и обнаружили новое состояние материи, в котором частицы передают энергию через столкновения и создают больше движения, когда их плотно прижимают друг к другу.
Мы все знаем, как бывает, когда собирается толпа людей или машин в пробке — когда становится слишком тесно, всё, что можно сделать, — это стоять на месте. До сих пор учёные в основном изучали случаи, когда большие группы ведут себя именно так, замедляясь, когда они слишком близко друг к другу.
Но что, если происходит обратное? Что, если частицы начнут двигаться больше, когда их соберут вместе? Этот вопрос мало изучался — до сих пор. Физики Марин Ле Блей, Джошуа Сальди и Александр Морин из Лейденского университета проводят исследования в области физики активного вещества — они наблюдают и анализируют коллективное поведение, которое возникает, когда большие группы частиц плотно прижаты друг к другу.
Работа опубликована в журнале Nature Physics.
В своих экспериментах Морин, Ле Блей и Сальди работали с крошечными неподвижными частицами: металлическими шариками диаметром один миллиметр, помещёнными между двумя стеклянными пластинами. «Эти две пластины, удерживающие шарики, — не просто стеклянные пластины, они также являются электродами. Наши шарики не могут двигаться сами по себе, но когда мы подаём на них электричество, они начинают подпрыгивать вверх и вниз. Они перемещаются взад и вперёд между двумя стеклянными пластинами очень быстро, около 100 раз в секунду. Таким образом, мы передаём энергию нашей системе шариков», — объясняет Сальди.
Морин добавляет: «Пока шарики движутся, мы делаем от 300 до 400 снимков в секунду с помощью высокоскоростной камеры. Затем мы делаем замедленные видео из этих снимков, чтобы подробно изучить, что происходит. Мы связываем каждую частицу с последующим изображением и проводим точную статистику наблюдаемых движений. Один день экспериментов может заполнить целый жёсткий диск. Мы используем мощный компьютер и эффективный алгоритм анализа для выполнения этой работы».
Когда в эксперименте было всего несколько шариков, они оставались на месте — ничего удивительного. Но когда исследователи увеличили количество шариков до сотен и тысяч, произошло нечто очень удивительное: шарики начали хаотично двигаться. Они образовали очень динамичную и неупорядоченную систему, которую мы называем состоянием «активного газа».
Как это возможно? Исследователи наблюдали и анализировали схемы движения и обнаружили, что частицы сталкиваются друг с другом особым образом. Их столкновения являются суперэластичными. Вместо того чтобы терять энергию, как мяч, который в конце концов останавливается, они передают энергию друг другу во время этих столкновений, что вызывает ещё большее движение. Таким образом, чем больше частиц, тем больше столкновений происходит — и тем более активной становится вся система.
«Как только мы поняли, как эти плотно упакованные частицы ускоряются, мы поняли, что можем даже контролировать коллективное поведение металлических шариков», — объясняет Морин. «Для этого мы не подавали питание на частицы непрерывно, а подавали его периодически, включая и выключая электрическое поле. Мы заметили, что чем быстрее переключение, тем медленнее движения. Но, что более важно, структура группы также изменилась».
«В целом мы могли бы получить структуры, аналогичные трём хорошо известным состояниям вещества: газу, жидкости и кристаллу, — просто повернув ручку нашего генератора. Это важное открытие, потому что оно показывает, что есть ещё много неизвестных способов, с помощью которых частицы могут организовываться», — говорит Морин. Это открывает дверь к новым типам поведения в системах частиц с возможными приложениями в технологии, биологии и материаловедении.
Хотя исследования всё ещё находятся на ранней стадии, Морин считает, что это открытие может помочь в создании новых умных материалов в будущем. Живые существа могут делать многое — например, запоминать, расти, исцеляться и обрабатывать информацию, — чего обычные материалы, такие как ткань или сталь, сделать не могут. Это исследование показывает, как простые активные материалы могут изменять свою форму и узоры самостоятельно. Шаг к созданию более совершенных искусственных материалов.
Предоставлено Лейденским университетом.
particles could start moving more when packed together? That question hadn’t been studied much—until now. Physicists Marine Le Blay, Joshua Saldi and Alexandre Morin from Leiden University do research in the field of active matter physics—they observe and analyze the collective behaviors that emerge when large groups of particles are packed together.”,”The work is published in the journal Nature Physics.”,”In their experiments, Morin, Le Blay and Saldi worked with tiny, non-moving particles: one-millimeter metal beads, placed between two glass plates. \”These two plates holding the beads are not just simple glass plates; they are also electrodes. Our beads can’t move by themselves, but when we charge them with electricity, they start to jump up and down. They travel back and forth between the two glass plates extremely fast, around 100 times in 1 second. This way, we give energy to our system of beads,\” Saldi explains. The Fine Mechanical Department of the Science Faculty helped them create this creative lab setup.”,”Morin adds, \”While the beads move around, we take 300 to 400 images per second with our high-speed camera. We then make slow-motion videos of these images to discover in detail what is happening. We link every particle from one image to the next and make precise statistics of the movements observed. One afternoon of experimenting can fill up an entire hard drive. We use a strong computer and an efficient analysis routine to do this work.\””,”With only a few beads in the experiment, the beads stay in place—nothing surprising yet. When the researchers increased the number of beads to hundreds and thousands, something very surprising happened: the beads started moving around wildly. They formed a very dynamic and disordered system, which we call an ‘active gas’ state of matter.”,”How is this possible? The researchers watched and analyzed the movement patterns and discovered that the particles bump into each other in a very special way. Their collisions are super elastic. Instead of losing energy like a bouncing ball eventually coming to rest, they pass energy on to each other during these bumps, which triggers more movement. So, the more particles there are, the more collisions happen—and the more active the whole system becomes.”,”\”Once we understood how these packed particles power up, we realized that we could even control the collective behavior of the metal beads,\” Morin explains. \”To do so, instead of powering the particles continuously, we powered them intermittently by switching the electric field on and off. We observed that the faster the switching, the slower the movements. But more importantly, the structure of the group also changed.”,”\”Overall, we could obtain structures analogous to the three well-known states of matter: gas, liquid, and crystal—by simply turning a knob on our power generator.\””,”Morin says, \”This is an important discovery, because it reveals that there are still many unknown ways in which particles can organize themselves.\” This opens the door to new types of behavior in particle systems, with possible applications in technology, biology, and materials science.”,”Even though the research is still in an early stage, Morin thinks this discovery could help create new smart materials in the future. Living things can do many things—like remembering, growing, healing, and processing information—that normal materials like fabric or steel cannot do. This research shows how simple active materials can change their shape and patterns on their own. A step towards better designed and more advanced man-made materials.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLeiden University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник