Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Разрыв наномостика из жидкого пропана в газовой азотной среде. (Изображение: Georgia Tech/Uzi Landman)
Разрыв наномостика из жидкого пропана в вакууме (Изображение: Georgia Tech/Uzi Landman)

Законы гидродинамики справедливы в наномире

Ключевые слова:  гидродинамика, нанотехнология, периодика

Опубликовал(а):  Кушнир Сергей Евгеньевич

05 марта 2007

В 2000 году ученые из Технологического Института штата Джорджия (Georgia Institute of Technology) показали, что теорию гидродинамики можно дополнить таким образом, чтобы она работала на наноуровне в вакууме. И теперь, спустя семь лет, было доказано, что существует возможность ее применения в реальной среде и вне вакуума. Результаты были опубликованы 9 февраля в журнале Physical Review Letters (PRL).

В основе принципа работы современной техники лежит понимание законов движения жидкостей и газов. Самолеты способны летать, а корабли ходить под парусом, потому что понятны законы, которым подчиняются вода и воздух. Математический принцип, с помощью которого описываются эти правила, изложен более 100 лет назад и известен как уравнения Навье-Стокса. Ими пользуются все специалисты данной области. Но теперь, когда ученые углубились в сферу малоразмерных систем, возник важный вопрос: как эти уравнения работают на наноразмерном уровне? Считать ли их справедливыми или же необходима их модификация?

Хорошо известно, что в отличие от крупных систем, малые системы более подвержены влиянию флуктуаций и шумов. В связи с этим, Узи Лэндман (Uzi Landman), физик из Технологического Института штата Джорджия, показал, что включение в уравнения Навье-Стокса стохастических элементов позволит точно описывать поведение жидкостей на субмикронном уровне.

В журнале Science от 19 августа 2000 года описывается, как Лэндман и Майкл Моселер (Michael Moseler), недавно защитивший докторскую диссертацию, используют компьютерное моделирование, чтобы показать справедливость стохастической формулировки уравнений Навье-Стокса для наноразмерных жидкостных токов (nanojets) и наномостов (nanobridges) в вакууме. Ранее теоретические положения этой работы были экспериментально подтверждены группой европейских ученых (см. издание журнала Physical Review Letters от 13 декабря 2006 года). Теперь же Лэндман и аспирант Вэй Кэнг (Wei Kang) установили, что дальнейшая модификация стохастических уравнений Навье-Стокса позволит точно описать поведение жидкостей на субмикронном уровне в реальной среде и вне вакуума.

"Раньше существовала уверенность в том, что гидродинамика не будет справедливой для малых систем, однако это не совсем так," – отметили Лэндман, директор Центра Вычислительных Методов Материаловедения (the Center for Computational Materials Science), член правления и преподаватель института, и Каллауэй (Callaway), заведующий кафедрой физики Технологического Института штата Джорджия.

Польза новых формулировок заключается в том, что эти уравнения могут быть решены относительно легко в считанные минуты, по сравнению с целыми неделями, которые уходят на моделирование текучих наноструктур, содержащих несколько миллионов молекул.

В этом исследовании Лэндман и Вэй моделируют наномост из жидкого пропана, который представляет собой тонкую текучую структуру, соединяющую две крупные группы молекул жидкости, подобно каналу между двумя дождевыми лужами. Размеры моста: 6 нанометров в диаметре и 24 нанометра в длину. Задача заключалась в том, чтобы исследовать процесс разрушения моста.

В исследованиях, проведенных в 2000 году, Лэндман моделировал мост в вакууме, который разломился симметрично, прямо посередине, образовав два конуса с каждой стороны. На этот раз основное внимание уделялось созданию модели, представляющей собой мост, помещенный в атмосферу газообразного азота и испытанный при различном давлении.

Когда давление газа было низким (менее 2 атмосфер для азота), разрыв происходил таким же способом, что и предсказывал предыдущий эксперимент компьютерного моделирования. Однако при достаточно высоком (выше 3,5 атмосфер) в течение 50% всего времени разрушение моста шло другим способом. Под высоким давлением, мост, как правило, разрывался не в средней своей части, а асимметрично, начиная с какого-либо края. До настоящего времени данная асимметрия отмечалась только у макроскопических токов жидкости.

Анализ данных показал, что асимметричность распада жидкостного наномоста в газообразной среде относится к процессам молекулярного испарения и конденсации и зависимости этих процессов от формы профиля наномоста.

"Если мост находится в вакууме, молекулы, испаряющиеся с него, уносятся прочь и не могут вернуться, - отметил Лэндман. – Однако если мост окружен газом, часть испарившихся молекул из-за столкновений с рассеянными молекулами газа может изменить направление движения и вернуться к наномосту, конденсируясь на нем."

Вернувшиеся молекулы могут заполнить пустые места, не занятые другими атомами. Иными словами, процессы испарения - конденсации влияют на перераспределение жидкого пропана вдоль наномоста, выражающееся в асимметричности формы. Чем выше давление, действующее на мост, тем выше вероятность того, что атомы будут испытывать столкновения с молекулами газа и конденсироваться на наномосте. Лэндман и Вэй показали, что эти микроскопические процессы укладываются в рамки теории стохастической гидродинамики и описываются уравнениями Навье-Стокса. Недавно модифицированные уравнения в точности воспроизводят результаты динамических экспериментов.

«Знание гидродинамической теории на наноуровне является фундаментально значимым, - заявил Лэндман. – В частности, мы ожидаем, что возможность правильно описывать поведение нанопотоков в реальной среде приведет к появлению в будущем совершенно новых типов приборов, использующих принципы данной теории».

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (the National Science Foundation) и Управление научных исследований ВВС (the Air Force Office of Scientific Research).





Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Проба пера
Проба пера

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.