Forskning skaber nye muligheder for at designe nye materialer med mærkelige og eksotiske egenskaber

Nobelprisen i fysik i 2016 fejrede den rige opførsel af todimensionale (2-D) materialer, som atomer, molekyler, eller elektroner, der er begrænset til at bevæge sig på en flad overflade.

Sammenlignet med deres tredimensionelle (3-D) modstykker, sådanne materialer udviser nye og eksotiske egenskaber, hvis belysning er på forkant med kondenseret fysikforskning.

Et meget interessant tilfælde er opførelsen af ​​2-D krystaller. I modsætning til 3D-materialer, som altid smelter i en flydende tilstand eller en fase, "teori forudsiger, at 2-D krystaller smelter til en ny fase kaldet hexatisk.

Hexatisk fase

I karakter, det hexatiske er mellemliggende mellem en krystalfase og en væske, ved at dets bestanddele viser partikler med en lang rækkevidde (som en krystal), men kun en kort rækkevidde (som en væske).

Selv for det enkleste 2-D-modelmateriale, består af identiske harddiske, at finde bekræftelse på, at en todimensionel krystal smelter ind i en hexatisk fase, var et af de længste problemer i fysikken.

Efter adskillige forsøg (over fire årtier) blev det løst i 2011 ved hjælp af computersimuleringer i stor skala.

I et samarbejde mellem to GW4 -universiteter, Dr. John Russo fra University of Bristol's School of Mathematics og professor Nigel Wilding, fra Institut for Fysik ved University of Bath, har udnyttet den kombinerede kraft af de højtydende computere på begge universiteter til at vise, at 2-D-krystallers adfærd bliver endnu fremmed, når der overvejes blandinger af to typer partikler.

Deres resultater er blevet offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Grundlæggende fysik

Dr Russo sagde:"Til denne undersøgelse overvejede vi det 2-D harddisksystem, der tidligere blev undersøgt, men med et twist:vi introducerede en anden diskart, der kun er 70 procent så stor som de andre.

"Interessant nok fandt vi ud af, at tilstedeværelsen af ​​denne anden type disk får den hexatiske fase til at forsvinde."

Professor Wilding tilføjede:"Dette sker ved overraskende små koncentrationer af de små diske:at bytte kun en procent af diskene til de mindre arter er nok til at miste det hexatiske.

"Vi fandt ud af, at det hexatiske er en så delikat tilstand, fordi dets entropi kun er lidt større end væskens.

"Tilføjelse af små partikler øger væskens entropi, og det destabiliserer igen det hexatiske."

Forskerne siger, at deres undersøgelse bidrager til den grundlæggende forståelse af stofets fascinerende fysik i to dimensioner, og åbner dørene til design af nye materialer med mærkelige og eksotiske egenskaber.

"Forsvinden af ​​den hexatiske fase i en binær blanding af harddiske" af J. Russo, og N. Wilding udgives i Fysisk gennemgangsbreve .