Порядок из беспорядка

С помощью компьютерного моделирования, в Мичиганском университете изучают возможность создания упорядоченных структур путем перемещения и размещения мелких частиц и обеспечения конечного результата путем анализа формы отдельных частиц. Эти структуры имеют огромное практическое применение, особенно для оптимизации аэродинамических свойств транспортных средств.

Команда физиков и инженеров-химиков пытались выполнить работу по определению структуры и основных свойств выбранных для исследования отдельных частиц. Ученные разработали схему, благодаря которой наночастицы, в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, можно комбинировать друг с другом невозможным для обычных химических веществ образом.

Одним из ключевых моментов этого процесса является: "убедить" частицы для создания желаемой структуры. И это может показаться очень сложным процессом, учитывая, что природа стремится к беспорядку и отнюдь не к упорядоченности. Эта тенденция называется энтропией. Вся вселенная скользит в этом состоянии абсолютного хаоса, пытаясь (и удастся рано или поздно), достичь максимальной энтропии.

Вы можете себе представить удивление исследователей из Мичигана, когда они поняли, что несколько простых частиц, спонтанно рождают упорядоченные структуры, когда они были в очень ограниченном состоянии. Команда изучила 145 различных форм и добилась феноменального результата с показателями, превышающими все, что были достигнуты до сих пор. Вся эта информация позволила нам "видеть", совершенно новые структуры, начиная от формы частицы и их объединения в порой нереальные образования кристаллического типа.

Компьютер позволяет следить за тысячами комбинаций одновременно, изменяя множество параметров, включая свободное пространство частиц. Программа имеет возможность получать многогранную форму с любым числом сторон. В частности, с учетом начальных условий, а также позволяют частицам развиваться в направлении котором они предпочитают, или же в том, которое может дать им максимальную энтропию. Теоретически они должны были разогнаться в случайном направлении. Но нет! Если места достаточно мало, частицы объединяются в формы подобные формам в кристаллах, как атомы, хотя они и не имеют химических связей последнего. Другими словами, эти квази-кристаллы демонстрируют, что состояние максимальной энтропии достижимо. Иными словами, порядок, созданный из беспорядка.

Результаты моделирования показали, что около 70% из всех существующих форм имеющих структуру кристаллического типа образовываются под влиянием только энтропии. Те же исследователи, которые уже готовы к неожиданным результатам, были шокированы тем, что были некоторые сложные образования, содержащие менее 52 частиц в единой структуре. Псевдокристаллы настолько сложны, что даже структура атомов им уступает. И они получены без химических связей!

Остается объяснить, почему 30% структуры не имеют кристаллической формы. Возможно, формирование было блокировано. В любом случае, для каждой частицы, которая не "хочет" найти аккуратное место, можно найти хотя бы одну, которая сделает это. И это будет иметь огромные последствия для будущего нанотехнологий.