Fysikere viser, hvordan livløse partikler kan blive livagtige ved at skifte adfærd

Fysikere ved Emory University har vist, hvordan et system af livløse partikler kan blive "livslignende" ved kollektivt at skifte frem og tilbage mellem krystallinske og flydende tilstande - selv når miljøet forbliver stabilt.

Fysisk gennemgangsbreve for nylig offentliggjort resultaterne, den første eksperimentelle realisering af en sådan dynamik.

"Vi har opdaget det måske enkleste fysiske system, der konsekvent kan ændre adfærd over tid i et fast miljø, " siger Justin Burton, Emory assisterende professor i fysik. "Faktisk, systemet er så simpelt, at vi aldrig havde forventet at se så kompleks en egenskab komme ud af det."

Mange levende systemer – fra ildfluer til neuroner – skifter adfærd kollektivt, skyde på og derefter slukke. Det aktuelle papir, imidlertid, involverede et ikke-levende system:Plastpartikler, små som støvpletter, der ikke har nogen "tændt" eller "sluk"-kontakter.

"De enkelte partikler kan ikke skifte mellem krystallinsk og flydende tilstand, " siger Burton. "Skiftet opstår, når der er samlinger af disse partikler - faktisk, så få som 40. Vores resultater tyder på, at et systems evne til at skifte adfærd over en hvilken som helst tidsskala er mere universel end tidligere antaget."

Burton-laboratoriet studerer den lille, plastikpartikler som model for mere komplekse systemer. De kan efterligne egenskaberne ved virkelige fænomener, såsom smeltning af et fast stof, og afsløre, hvordan et system ændrer sig, når det er drevet af kræfter.

Partiklerne er suspenderet i et vakuumkammer fyldt med en plasma-ioniseret argongas. Ved at ændre gastrykket inde i kammeret, laboratoriemedlemmerne kan studere, hvordan partiklerne opfører sig, når de bevæger sig mellem en exciteret, fritflydende tilstand til en fastklemt, stabil position.

Den aktuelle opdagelse fandt sted efter Emory-kandidatstuderende Guram "Guga" Gogia bankede på en shaker og langsomt "saltede" partiklerne ind i vakuumkammeret fyldt med plasma, skabe et enkelt lag af partikler, der svæver over en ladet elektrode. "Jeg var bare nysgerrig, hvordan partiklerne ville opføre sig over tid, hvis jeg indstillede parametrene for kammeret til et lavt gastryk, sætter dem i stand til at bevæge sig frit, " siger Gogia. "Efter et par minutter kunne jeg se med mit blotte øje, at de opførte sig mærkeligt."

Fra et sted mellem ti sekunder til minutter, partiklerne ville skifte fra at bevæge sig i låsetrin, eller en stiv struktur, at være i en smeltet gaslignende tilstand. Det var overraskende, fordi partiklerne ikke bare smeltede og omkrystalliserede, men gik frem og tilbage mellem de to tilstande.

"Forestil dig, hvis du efterlod en bakke med is på din disk ved stuetemperatur, " siger Gogia. "Du ville ikke blive overrasket, hvis smeltet. Men hvis du holdt isen på disken, du ville blive chokeret, hvis det blev ved med at blive til is og smelte igen."

Gogia udførte eksperimenter for at bekræfte og kvantificere fænomenet. Resultaterne kunne tjene som en simpel model til undersøgelse af nye egenskaber i ikke-ligevægtssystemer.

"Switching er en allestedsnærværende del af vores fysiske verden, " siger Burton. "Intet forbliver i en stabil tilstand i lang tid - fra jordens klima til neuronerne i en menneskelig hjerne. At forstå, hvordan systemer skifter, er et grundlæggende spørgsmål i fysik. Vores model fjerner kompleksiteten af ​​denne adfærd, leverer de mindst nødvendige ingredienser. Det giver en base, et udgangspunkt, for at hjælpe med at forstå mere komplekse systemer."