Pomocí ultrazvukových vln vytváříme vzory, které se nikdy neopakují

Kvazi-periodický dvourozměrný vzor. Uznání obrázku: s laskavým svolením Fernanda Guevaru Vasqueza

Metoda vytváření kvazi-vzorů může vést k přizpůsobitelným materiálům.

Matematici a inženýři z univerzity v Utahu se spojili, aby ukázali, jak mohou ultrazvukové vlny organizovat uhlíkové částice ve vodě v jakémsi vzoru, který se nikdy neopakuje. Výsledky by mohly vést k materiálům známým jako „kvazikrystaly“, které mají vlastní magnetické nebo elektrické vlastnosti.

Výzkum je publikován v časopise Dopisy o fyzickém vyšetření.

„Kvazikrystaly je zajímavé studovat, protože mají vlastnosti, které krystaly nemají,“ říká Fernando Guevara Vasquez, docent matematiky. “Ukázalo se, že jsou tužší než podobné periodické nebo neuspořádané materiály.” Mohou také vést elektřinu nebo rozptylovat vlny způsobem odlišným od krystalů. “

Vzor bez vzoru

Představte si šachovnici. Můžete si vzít čtverec dva ku dvěma složený ze dvou černých a dvou bílých (nebo červených) dlaždic a zkopírovat a vložit získat celou šachovnici. Takové „periodické“ struktury se vzory, které dělat opakujte, přirozeně se vyskytující v krystalech. Vezměte si například zrnko soli. Na atomové úrovni je to mřížovitá mřížka složená z atomů sodíku a chloridu. Můžete zkopírovat a vložit mřížku z jedné části krystalu a najít shodu ve všech ostatních částech.

Ale kvazi-periodická struktura je klamná. Jedním z příkladů je vzor zvaný Penroseovy dlaždice. Na první pohled se zdá, že geometrické dlaždice ve tvaru kosočtverce mají pravidelný vzor. Tento vzor však nelze zkopírovat a vložit. Neopakuje se.

Penroseovy dlaždice (kosočtverce)

Deska Penrose ve tvaru kosočtverce, která má pětinásobnou symetrii.

Objev kvazi-periodických struktur v některých kovových slitinách vědcem v oblasti materiálů Danem Schechtmanem obdržel v roce 2011 Nobelovu cenu za chemii a otevřel cestu ke studiu kvazikrystalů.

Od roku 2012 spolupracují Guevara a Bart Raeymaekers, docent strojního inženýrství, na navrhování materiálů s mikroskopickými strukturami na míru. Původně nechtěli vyrábět kvazi-periodické materiály. Její první teoretické experimenty vedené absolventkou matematiky China Mauck se ve skutečnosti zaměřovaly na periodické materiály a na to, jaké částicové vzorce lze pomocí ultrazvukových vln dosáhnout. V každé dimenzionální úrovni zjistili, že dva páry paralelních ultrazvukových měničů jsou dostatečné k uspořádání částic v periodické struktuře.

Co by se ale stalo, kdyby stále měli pár převodníků? Chcete-li to zjistit, Raeymaekers a doktorand Milo Prisbrey (nyní v Národní laboratoři Los Alamos) poskytli experimentální nástroje a profesorka matematiky Elena Cherkaev poskytla zkušenosti s matematickou teorií kvazikrystalů. Guevara a Mauck provedli teoretické výpočty, aby předpověděli vzorce, které ultrazvukové měniče vytvoří.

Vytvořte kvazi-periodický vzor

Cherkaev říká, že s kvazi-periodickými vzory lze místo přístupu cut-and-paste použít techniku ​​„cut-and-project“.

Při navrhování kvaziperiodických vzorů na čáře s výřezem a projektem začněte čtvercovou mřížkou v jedné rovině. Poté nakreslete nebo ořízněte čáru tak, aby procházela pouze uzlem mřížky. Toho lze dosáhnout nakreslením čáry v iracionálním úhlu pomocí iracionálního čísla, jako je pi, nekonečné řady čísel, která se nikdy neopakuje. Potom můžete promítnout další uzly mřížky na čáru a ujistit se, že vzor vzdáleností mezi body na čáře se nikdy neopakuje. Jsou kvazi-periodické.

Přístup je podobný v dvourozměrné rovině. „Začínáme s mřížkou nebo periodickou funkcí ve vesmíru vyšších dimenzí,“ říká Čerkaev. „Prořízli jsme rovinu tímto prostorem a podobným postupem jsme omezili periodickou funkci na iracionální 2D řez.“ Při použití ultrazvukových měničů, jak je uvedeno v této studii, generují měniče periodické signály v tomto trojrozměrném prostoru.

Ultrazvukové kvazi-periodické experimentální nastavení

Experimentální uspořádání se čtyřmi páry ultrazvukových měničů, které obklopují nádrž s uhlíkovými nanočásticemi suspendovanými ve vodě. Uznání obrázku: s laskavým svolením Fernanda Guevaru Vasqueza

Vědci nastavili čtyři páry ultrazvukových měničů v osmibokém uspořádání stopek. “Věděli jsme, že se jedná o nejjednodušší nastavení, ve kterém bychom mohli demonstrovat kvazi-periodické uspořádání částic,” říká Guevara. “Měli jsme také omezenou kontrolu nad tím, které signály by měly být použity k pohonu ultrazvukových snímačů.” V podstatě bychom mohli použít pouze signál nebo jeho zápor. “

V této osmiboké struktuře tým umístil malé uhlíkové nanočástice, které byly suspendovány ve vodě. Jakmile byly snímače zapnuty, vedly ultrazvukové vlny částice uhlíku na místo a vytvořily kvazi-periodický vzor podobný Penrosovu obkladu.

„Po provedení experimentů jsme porovnali výsledky s teoretickými předpovědi a dosáhli jsme velmi dobré shody,“ říká Guevara.

Zakázkové materiály

Dalším krokem by bylo vytvořit materiál s kvaziperiodickým uspořádáním vzoru. To by podle Guevary nebylo obtížné, kdyby byly částice suspendovány v polymeru místo ve vodě, která by mohla být vytvrzena nebo vytvrzena, jakmile byly částice na svém místě.

„Podstatné je, že s touto metodou můžeme vytvářet kvazi-periodické materiály, které jsou buď 2-D nebo 3-D a mohou mít v podstatě jednu z obvyklých kvazi-periodických symetrií výběrem způsobu, jakým uspořádáme ultrazvukové měniče a jak s nimi pracujeme“ Guevara.

Uvidíme, čeho by tyto materiály mohly být schopné, ale jednou z možných aplikací by mohlo být vytvoření materiálů, které mohou manipulovat s elektromagnetickými vlnami, jako jsou ty, které používá dnešní 5G buněčná technologie. Další dříve známá použití kvazi-periodických materiálů zahrnují antiadhezivní povlaky kvůli jejich nízkému koeficientu tření a povlaky, které izolují proti přenosu tepla, říká Čerkaev.

Dalším příkladem je kalení nerezové oceli zaléváním malých kvazikrystalických částic. Tisková zpráva o Nobelově ceně za chemii 2011 uvádí, že kvazikrystaly „mohou materiál posílit jako brnění“.

Vědci tedy říkají, že můžeme doufat v mnoho vzrušujících nových aplikací těchto nových kvazi-periodických struktur vytvořených sestavením ultrazvukových částic.

Odkaz: „Vlnově řízené uspořádání kvaziperiodických vzorců částic“ od Eleny Čerkaevové, Fernanda Guevary Vasqueze, China Mauck, Milo Prisbrey a Bart Raeymaekers, 8. dubna 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.145501

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.