Fysikere beviser, at 2-D og 3-D væsker er fundamentalt forskellige

Et 50 år gammelt puslespil inden for statistisk mekanik er blevet løst af et internationalt hold af forskere, som har bevist, at todimensionelle (2-D) væsker har fundamentalt forskellige dynamiske egenskaber end tredimensionelle (3-D) væsker.

Forskere bruger rutinemæssigt 2-D eksperimenter og simuleringer til at repræsentere 3-D væsker, simpelthen fordi studier i 2-D er nemmere at lave.

Med disse undersøgelser, fysikere sigter på at rationalisere velkendte makroskopiske væskeegenskaber, såsom viskositeten, med hensyn til partiklernes mikroskopiske bevægelse, som i 2-D kan visualiseres direkte.

Holdet ledet af lektor Massimo Pica Ciamarra ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) satte sig for at forstå den 'termiske bevægelse' af atomer i 2-D og 3-D væsker.

Ved at bruge en blanding af pen-og-papir-beregninger og numeriske simuleringer, de forudsagde, at atomer i 2-D væsker kan rejse over lange afstande, før de effektivt "glemmer" deres oprindelige positioner. Denne adfærd giver anledning til en subtil kollektiv bevægelse af atomerne, af en slags, man tidligere kun havde troet fandtes i faste stoffer.

For at bekræfte deres teoretiske resultater, forskerne udførte eksperimenter, der sporede kolloide partiklers bevægelser under et mikroskop. I almindelige tredimensionelle væsker, sådanne partikler udfører en type tilfældig bevægelse kendt som Brownsk bevægelse.

Men i todimensionelle væsker, holdet var i stand til at demonstrere, at den Brownske bevægelse er overlejret på store kollektive bevægelser. Denne kollektive bevægelse blev tidligere antaget kun at forekomme i 2-D faste stoffer, som forudsagt i 1960'erne af Mermin og Wagner.

Beviset for den grundlæggende forskel mellem 2-D og 3-D væsker blev opnået af forskere ved NTU Singapore, Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research i Indien, Kinas Universitet for Videnskab og Teknologi, og University of California (Los Angeles) i USA. Deres arbejde blev offentliggjort i november i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Vores opdagelse viser, at todimensionelle væsker og tredimensionelle væsker ikke kun er varianter af hinanden, men fundamentalt forskellige typer stof, " sagde advokatprofessor Pica Ciamarra.

"Vores resultater hjælper med at forklare mange forvirrende forskelle mellem de dynamiske egenskaber af to- og tredimensionelle væsker, som var blevet rapporteret i den videnskabelige litteratur, " sagde advokatprofessor Pica Ciamarra. "Det er kun i 2-D, ikke i 3-D eller højere dimensioner, at afslapningstiden ikke er omvendt proportional med partiklernes diffusivitet."

"For at udtrække relevant information om dynamikken af ​​3-D væsker fra 2-D undersøgelser" tilføjede Dr. Y.-W. Li, medforfatter til denne undersøgelse, "Forskere er nødt til at udvikle en måde at selektivt frafiltrere effekten af ​​de observerede kollektive partikeloscillationer."