Учёные из Лейдена открыли новое состояние материи
🔬 Что если частицы не замедляются в толпе, а движутся быстрее? Физики из Лейденского университета обнаружили новое состояние материи, в котором частицы передают энергию через столкновения и создают больше движения, когда их плотно прижимают друг к другу.
🚶♂️ Всем известно, что в толпе людей или в пробке движение замедляется. До сих пор учёные в основном изучали подобные случаи, когда большие группы замедляются, 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 недавнего времени.
🔬 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.
Их работа опубликована в журнале Nature Physics.
Эксперименты
В своих экспериментах Морин, Ле Блей и Сальди работали с крошечными неподвижными частицами: металлическими шариками диаметром в 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 заряжаем их электричеством, они начинают подпрыгивать вверх и вниз. Они перемещаются вперёд и назад 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 одного изображения со следующей и делаем 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 исследователи увеличили количество шариков до сотен и тысяч, произошло нечто очень удивительное: шарики начали хаотично перемещаться. Они образовали очень динамичную и неупорядоченную систему, которую мы называем состоянием «активного газа».
Как это возможно?
Исследователи наблюдали и анализировали модели 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 упакованные частицы ускоряются, мы поняли, что можем даже управлять коллективным поведением металлических шариков», — объясняет Морин. «Для этого мы не постоянно приводили частицы в действие, а делали это периодически, включая и выключая электрическое поле. Мы заметили, что чем быстрее переключение, тем медленнее движения. Но что более важно, структура группы также менялась».
Морин говорит: «В целом мы могли получить структуры, аналогичные трём хорошо известным состояниям материи: газу, жидкости и кристаллу, просто поворачивая ручку нашего генератора».
Это важное открытие, потому что оно показывает, что существует ещё много неизвестных способов организации частиц. Это открывает дверь к новым типам поведения в системах частиц с возможными приложениями в технологии, биологии и материаловедении.
Даже несмотря на то, что исследования всё ещё находятся на ранней стадии, Морин считает, что это открытие может помочь создать новые умные материалы в будущем. Живые существа могут делать многое — например, запоминать, расти, исцеляться и обрабатывать информацию, — чего обычные материалы, такие как ткань или сталь, не могут. Это исследование показывает, как простые активные материалы могут изменять свою форму и узоры самостоятельно. Шаг к более совершенным искусственным материалам.
Предоставлено Лейденским университетом.