Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе

Исследователи показали, что принципы работы волн-изгоев — огромных 30-метровых волн, неожиданно возникающих в океане, — могут быть применены в наномасштабе и иметь десятки областей применения — от медицины до производства.

Долгое время считалось мифом, что волны-изгои возникают в сравнительно спокойной обстановке, разрушая нефтяные вышки и корабли на своем пути. В отличие от цунами, волны-изгои образуются в результате случайного сочетания более мелких волн в океане, что является очень редким явлением.

В последние годы было проведено множество исследований, посвященных изучению нестационарных волн, но теперь ученые впервые показали, как это можно сделать в гораздо меньшем масштабе — нанометрическом. Нанометр в миллион раз меньше толщины страницы книги. Это совершенно новый подход к изучению поведения жидкостей в нанометрическом масштабе, опубликованный в виде письма в журнале Physical Review Fluids.

Отверстия и неровности, возникающие под действием волн, могут быть использованы для спонтанного создания узоров и структур для использования в нанопроизводстве (производство в масштабе одной миллиардной доли метра). Например, узоры, образующиеся при разрыве жидких пленок, могут быть использованы для построения микроэлектронных схем, которые могут быть применены в производстве дешевых компонентов солнечных батарей. Кроме того, поведение тонких жидких слоев может помочь объяснить, почему миллионы людей во всем мире страдают от «сухого глаза». Это происходит, когда слезная пленка, покрывающая глаз, разрывается.

С помощью прямого моделирования молекул и новых математических моделей исследователи под руководством Математического института Уорикского университета обнаружили, что наноскопические слои жидкости ведут себя неинтуитивно. В то время как пролитый на стол слой кофе может сидеть внешне неподвижно, на наноуровне хаотическое движение молекул создает случайные волны на поверхности жидкости. В редких случаях эти волны объединяются и создают большую «внешнюю нановолну», которая прорывается сквозь слой и образует дыру. Новая теория объясняет, как и когда образуется эта дыра, давая новое представление о ранее непредсказуемом эффекте, используя в качестве математического образца их крупных океанических родственников.

Команда исследователей с нетерпением ждет возможности применения этого исследования в различных отраслях промышленности.

Профессор Джеймс Сприттлз, Математический институт Уорикского университета, сказал:

Мы с воодушевлением обнаружили, что математические модели, изначально разработанные для квантовой физики и недавно примененные для предсказания нестабильных океанских волн, имеют решающее значение для прогнозирования стабильности наноскопических слоев жидкости.

В будущем мы надеемся, что эта теория может быть использована для создания целого ряда нанотехнологий, где манипулирование тем, когда и как происходит разрыв слоев, имеет решающее значение. Возможно также применение в смежных областях, таких как поведение эмульсий, например, в пищевых продуктах или красках, где стабильность тонких жидких пленок определяет срок их хранения.

18.10.2023