Folosiți unde ultrasonice pentru a crea modele care nu se repetă niciodată

Un model bidimensional cvasiperiodic. Credit: prin amabilitatea lui Fernando Guevara Vasquez

Metoda de generare a modelului de tip quasipattern poate duce la materiale personalizabile.

Matematicienii și inginerii de la Universitatea din Utah s-au unit pentru a arăta cum undele ultrasonice pot organiza particulele de carbon din apă într-un fel de model care nu se repetă niciodată. Rezultatele, spun ei, ar putea duce la materiale numite „cvasicristale” cu proprietăți magnetice sau electrice personalizate.

Cercetarea este publicată în jurnal Scrisori de recenzie fizică.

„Cvasicristalele sunt interesante de studiat, deoarece au proprietăți pe care cristalele nu le au”, spune Fernando Guevara Vasquez, profesor asociat de matematică. “S-au dovedit a fi mai rigide decât materialele periodice sau similare dezordonate. De asemenea, pot conduce electricitatea sau pot dispersa unde în alte moduri decât cristalele.”

Modele nu modele

Imaginați-vă o tablă de șah. Puteți lua un pătrat două câte două din două dale negre și două dale albe (sau roșii) și le puteți copia și lipi pentru a obține întreaga tablă de șah. Aceste structuri „periodice”, cu tipare care do repetați, apar în mod natural în cristale. Luați, de exemplu, un bob de sare. La nivel atomic, este o rețea sub forma unei rețele de atomi de sodiu și clorură. Puteți copia și lipi grila dintr-o parte a cristalului și găsiți una oriunde altundeva.

Dar o structură cvasi-periodică este înșelătoare. Un exemplu este așa-numitul model de gresie al lui Penrose. La prima vedere, plăcile geometrice în formă de diamant par să aibă un model regulat. Dar nu puteți copia și lipi acest model. Nu se va repeta.

Plăci Penrose (romburi)

O țiglă Penrose cu romburi care are o simetrie de cinci.

Descoperirea structurilor cvasiperiodice în unele aliaje metalice de către omul de știință în materie de materiale Dan Schechtman a câștigat Premiul Nobel pentru chimie în 2011 și a deschis studiul cvasicristalelor.

Din 2012, Guevara și Bart Raeymaekers, profesor asociat de inginerie mecanică, colaborează la proiectarea materialelor cu structuri concepute pentru a măsura pe o scară micro. Inițial nu au căutat să creeze materiale cvasi-periodice; de fapt, primele sale experimente teoretice, conduse de doctorand în matematică China Mauck, s-au concentrat asupra materialelor periodice și asupra tiparelor de particule care ar putea fi făcute posibile prin utilizarea undelor ultrasonice. În fiecare plan dimensional, au descoperit că două perechi de traductoare cu ultrasunete paralele sunt suficiente pentru a aranja particulele într-o structură periodică.

Dar dacă ar mai avea încă câteva traductoare? Pentru a afla, Raeymaekers și Milo Prisbrey, un student absolvent (acum la Laboratorul Național Los Alamos), au furnizat instrumentele experimentale, iar profesorul de matematică Elena Cherkaev a oferit experiență cu teoria matematică a cvasicristalelor. Guevara și Mauck au efectuat calcule teoretice pentru a prezice modelele pe care le-ar crea traductoarele cu ultrasunete.

Crearea tiparelor cvasi-periodice

Cherkaev spune că modelele cvasiperiodice pot fi considerate a folosi o tehnică de „tăiere și proiectare”, mai degrabă decât o abordare de tăiere și lipire.

Dacă utilizați tăiere și proiectare pentru a desena modele cvasi-periodice pe o linie, începeți cu o grilă pătrată într-un plan. Apoi trageți sau tăiați o linie astfel încât să treacă doar printr-un nod de rețea. Acest lucru se poate face trasând linia într-un unghi irațional, folosind un număr irațional, cum ar fi pinul, o serie infinită de numere care nu se repetă niciodată. Apoi puteți proiecta nodurile grilei cele mai apropiate de linie și vă asigurați că modelele distanțelor dintre punctele de pe linie nu se repetă niciodată. Sunt cvasi-periodice.

Abordarea este similară într-un plan bidimensional. „Începem cu o grilă sau o funcție periodică într-un spațiu cu dimensiuni superioare”, spune Cherkaev. “Am tăiat un plan prin acest spațiu și urmăm o procedură similară pentru a restrânge funcția periodică la o tăiere irațională 2D.” Când se folosesc traductoare cu ultrasunete, ca în acest studiu, traductoarele generează semnale periodice în acest spațiu cu dimensiuni superioare.

Configurație experimentală cvasi-periodică a ultrasunetelor

Setarea experimentală cu patru perechi de traductoare cu ultrasunete care înconjoară un rezervor cu nanoparticule de carbon suspendate în apă. Credit: prin amabilitatea lui Fernando Guevara Vasquez

Cercetătorii au stabilit patru perechi de traductoare cu ultrasunete într-un aranjament de semnal de șomaj octogonal. „Știam că aceasta va fi cea mai simplă configurație în care putem demonstra aranjamente cvasi-periodice ale particulelor”, spune Guevara. „De asemenea, am avut un control limitat asupra semnalelor care urmau să fie utilizate pentru a conduce traductoarele cu ultrasunete; în esență, am putea folosi doar semnalul sau negativul său “.

În această configurație octogonală, echipa a plasat nanoparticule de carbon mici, suspendate în apă. Odată ce traductoarele au fost pornite, undele ultrasunete au ghidat particulele de carbon în loc, creând un model cvasi-periodic similar cu mozaicul Penrose.

„Odată efectuate experimentele, am comparat rezultatele cu predicțiile teoretice și am obținut un acord foarte bun”, spune Guevara.

Materiale personalizate

Următorul pas ar fi realizarea efectivă a unui material cu un aranjament cvasi-periodic. Acest lucru nu ar fi dificil, spune Guevara, ca particulele să fie suspendate într-un polimer în loc de apă care ar putea fi vindecată sau întărită odată ce particulele au fost în poziție.

„În mod crucial, cu această metodă, putem crea materiale cvasiperiodice care sunt 2-D sau 3-D și care pot avea practic oricare dintre simetriile cvasiperiodice obișnuite, alegând modul în care organizăm traductoarele cu ultrasunete și cum le conducem”, spune Guevara. .

Rămâne de văzut ce ar putea face aceste materiale, dar o eventuală aplicație ar putea fi crearea de materiale care pot manipula unde electromagnetice, cum ar fi cele utilizate în prezent de tehnologia celulară 5G. Alte aplicații deja cunoscute ale materialelor cvasi-periodice includ acoperiri antiaderente, datorită coeficientului lor scăzut de frecare și acoperiri izolatoare împotriva transferului de căldură, spune Cherkaev.

Un alt exemplu este întărirea oțelului inoxidabil prin încorporarea particulelor mici cvasicristaline. Comunicatul de presă al Premiului Nobel pentru chimie din 2011 menționează că cvasicristalele pot „întări materiale precum armurile”.

Prin urmare, spun cercetătorii, ne putem aștepta la multe aplicații noi și interesante ale acestor noi structuri cvasi-periodice create de asamblarea particulelor ultrasonice.

Referință: „Ansamblul condus de valuri al modelelor de particule cvasi-periodice” de Elena Cherkaev, Fernando Guevara Vasquez, China Mauck, Milo Prisbrey și Bart Raeymaekers, 8 aprilie 2021, Scrisori de recenzie fizică.
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

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.