原子如何在最小尺度上排列曾被認(rèn)為遵循“鼓皮”規(guī)則，但數(shù)學(xué)家們現(xiàn)在找到了一個(gè)更簡(jiǎn)單的解決辦法。不同材料中的原子排列可以提供許多關(guān)于材料性質(zhì)的信息，以及改變材料用途的可能性。然而當(dāng)兩種材料接觸時(shí)（在它們的界面上）會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，這使得預(yù)測(cè)原子的排列變得困難。如今倫敦帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College London)和馬德里大學(xué)(university of Carlos III de Madrid)的研究人員在《自然物理》(Nature Physics)上發(fā)表的一篇論文中，提出了一種新的模型，能夠更好地預(yù)測(cè)原子之間的排列關(guān)系。

博科園-科學(xué)科普？來(lái)自帝國(guó)理工學(xué)院數(shù)學(xué)系的安德魯·帕里教授是論文的合著者說(shuō)：這是一種全新的觀察液氣界面的方式。它也可以應(yīng)用于其他類型的界面:每當(dāng)兩種不同的材料走到一起，我們想知道原子是如何相互聯(lián)系的，這些想法就可以被使用。氣體和液體在哪里相遇：復(fù)雜的情況當(dāng)物質(zhì)處于固態(tài)時(shí)，它們的原子排列成非常均勻的模式——像網(wǎng)格、薄片和晶格。這意味著，知道一個(gè)原子的位置可以揭示其所有相鄰原子的位置。然而在液體和氣體中，原子的排列在整個(gè)材料的體積中是非常不同的。原子可能被“局部地”更緊密地聚集在一起，導(dǎo)致更密集的區(qū)域，并可能迅速改變。

這些情況中最復(fù)雜的一種是液體和氣體相遇的時(shí)候。帕里教授說(shuō)：如果你想象一杯水，與空氣接觸的上層水與下層水的作用是不同的，它有表面張力。當(dāng)你擾動(dòng)表面時(shí)，例如敲擊玻璃，漣漪會(huì)改變表面水原子的模式。在一杯水中，由漣漪產(chǎn)生的原子排列被認(rèn)為是由“鼓皮”式的行為引起的——表面張力意味著水被拉得像鼓一樣緊，并在受到擾動(dòng)時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)。以前人們認(rèn)為這種行為也在原子尺度上起作用:在單個(gè)原子的層次上，也發(fā)生了同樣的鼓皮行為，以某種方式對(duì)原子進(jìn)行排序。然而對(duì)原子在這種情況下的行為進(jìn)行的大型模擬和計(jì)算并沒(méi)有像預(yù)期的那樣顯示出鼓皮行為的縮小版?，F(xiàn)在來(lái)自馬德里卡洛斯三世大學(xué)的帕里教授和卡洛斯·拉斯康博士已經(jīng)找到了一系列解決這個(gè)問(wèn)題的新方法，這些方法并不依賴于鼓皮的類比。

通過(guò)結(jié)合表面受擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的波紋以及原子如何在局部聚集的信息，這兩人能夠揭示原子如何在相互之間排列。帕里教授說(shuō)：每當(dāng)我們?cè)诟蟮某叨壬峡吹街T如溫度、壓力和表面張力等現(xiàn)象時(shí)，這些現(xiàn)象通常來(lái)自于我們?cè)谖⒂^世界中觀察到的概念。因此在這種情況下，鼓皮的行為產(chǎn)生于微觀層面上完全不同的東西?，F(xiàn)在可以不必過(guò)分夸大鼓皮的比喻，就能得到該系統(tǒng)潛在的簡(jiǎn)單性。新的理論和解決方案與迄今為止最大的液-氣界面行為模擬結(jié)果相匹配，模擬結(jié)果比鼓皮模型要好得多。由A.O.帕里和C.拉斯康合著的《流體界面區(qū)域的戈德斯通模態(tài)和共振》發(fā)表在《自然物理》上。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-018-0361-z

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