Besvarer mysteriet om, hvad atomer gør, når væsker og gasser mødes

Man mente, hvordan atomer indrettede sig i den mindste skala, fulgte en 'tromme-hud'-regel, men matematikere har nu fundet en enklere løsning.

Atomarrangementer i forskellige materialer kan give en masse information om materialers egenskaber, og hvad potentialet er for at ændre, hvad de kan bruges til.

Imidlertid, hvor to materialer rører - ved deres grænseflade - opstår komplekse interaktioner, der gør det svært at forudsige arrangement af atomer.

Nu, i et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturfysik , forskere fra Imperial College London og Universidad Carlos III de Madrid er kommet med en ny model, der bedre forudsiger, hvordan atomer er arrangeret i forhold til hinanden.

Medforfatter professor Andrew Parry, fra Institut for Matematik på Imperial, sagde:"Det er en helt ny måde at se væske-gas-grænsefladen på. Det kan også anvendes på andre former for grænseflader:når to forskellige materialer kommer sammen, og vi vil vide, hvordan atomerne forholder sig til hinanden, disse ideer kan bruges. "

Hvor gasser og væsker mødes:en kompleks situation

Når materialer er i fast tilstand, deres atomer er arrangeret i meget ensartede mønstre - som net, plader og gitter. Det betyder, at kendskab til positionen af ​​et atom kan afsløre positionerne for alle dets naboatomer.

Imidlertid, i væsker og gasser, arrangementerne af atomer kan være meget forskellige på tværs af materialets volumen. Atomer kan være 'lokalt' pakket tættere sammen, fører til tættere områder, og kan hurtigt ændre sig.

En af de mest komplekse af disse situationer er, når væsker og gasser mødes. Professor Parry sagde:"Hvis du forestiller dig et glas vand, det øvre overfladelag af vand i kontakt med luft virker anderledes end vandet herunder; den har overfladespænding. Når du forstyrrer overfladen, for eksempel ved at trykke på glasset, krusningerne ændrer mønstrene af vandatomer på overfladen. "

På tværs af et glas vand, arrangementet af atomer skabt af krusninger anses for at stamme fra 'tromme-hud'-lignende adfærd-overfladespændingen betyder, at vandet trækkes stramt som en tromle og fungerer i overensstemmelse hermed, når det forstyrres.

Gennemtrængning af tromle-hud-analogien

Det blev tidligere antaget, at denne form for adfærd også virkede i atomskala:at på niveau med individuelle atomer, den samme slags tromme-hud adfærd fandt sted, at bestille atomerne på en bestemt måde.

Imidlertid, store simuleringer og beregninger af, hvordan atomerne opfører sig i denne situation, viser ikke en nedskaleret version af tromlehudsadfærden, som man kunne forvente.

Nu, Professor Parry og Dr. Carlos Rascón fra Universidad Carlos III de Madrid har fundet en række nye løsninger på dette problem, som ikke er afhængige af trommeskind-analogien.

Ved at kombinere oplysninger om krusninger, der skabes, når overfladen forstyrres, og hvordan atomer klynger lokalt, duoen var i stand til at afdække, hvordan atomer indretter sig i forhold til hinanden.

At komme til den underliggende enkelhed i systemet

Professor Parry sagde:"Når vi ser fænomener i større skala - såsom temperatur, tryk og overfladespænding - de stammer normalt fra begreber, vi observerer i den mikroskopiske verden. Derfor, i dette tilfælde opstår tromme-hudadfærden fra noget helt andet på mikroskopisk niveau.

"Vi kan nu komme til den underliggende enkelhed i systemet uden at skulle overspænde tromlehud-analogien."

Den nye teori og sæt af løsninger matchede resultaterne af den hidtil største simulering af flydende gasgrænseflade-adfærd, der nogensinde har været meget bedre end tromlehudsmodellen.

"Goldstone Mode and Resonances in the Fluid Interfacial Region 'af A.O. Parry og C. Rascón er udgivet i Naturfysik .