Физики открыли увлекательный мир «вращающихся кристаллов»

Кристаллические образования, которые скручиваются, распадаются на фрагменты и собираются заново, могут стать ключом к созданию материалов следующего поколения.

Немецкие физики исследовали уникальные кристаллические структуры, сформированные вращающимися частицами. Данные кристаллы отличаются необычным поведением: они способны легко разделяться на фрагменты, формировать особые межзернистые границы и демонстрировать регулируемые структурные аномалии. В рамках своего исследования авторы представили комплексную теорию, объясняющую механизм функционирования этих необычных систем с поперечной связью и позволяющую прогнозировать целый ряд ранее неизученных физических эффектов, пишет ScienceDaily.

«Поперечные силы» проявляются не только в искусственных материалах, но и в живой природе. Например, в ходе эксперимента, проведенного в Массачусетском технологическом институте, наблюдалось, как эмбрионы морских звезд воздействуют друг на друга и формируют синхронизированное вращательное движение вокруг единого центра. Хотя точный биологический смысл коллективного вращения пока неясен, сам факт такого поведения напоминает процессы взаимодействия вращающихся частиц в синтетических конструкциях.

Как отметил профессор Хартмут Левен из Института теоретической физики Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне, система, состоящая из многочисленных взаимосвязанных вращающихся единиц, демонстрирует принципиально нестандартное поведение, выходящее далеко за рамки классических представлений. При достижении определенной пороговой плотности составляющие элементы объединяются в монолитную массу роторных структур, обладающих особыми физическими характеристиками.

Одна из таких характеристик известна как «нечетная эластичность». В отличие от стандартных материалов, которые при растяжении удлиняются вдоль линии приложения силы, нечетно-эластичные материалы реагируют иначе — вместо простого растяжения они начинают закручиваться. Такая уникальная твердая структура способна самопроизвольно разрушаться. Под влиянием сильного трения между отдельными вращательными компонентами твердый объект может рассыпаться на многочисленные миниатюрные вращающиеся фрагменты-кристаллиты. Примечательно, что спустя какое-то время эти обособленные фрагменты вновь собираются в единое целое.

Специалисты разработали многоуровневую теоретическую модель, детально описывающую динамику поведения необычных кристаллов. Было установлено, что крупные вещества, находящиеся под воздействием поперечных сил, склонны фрагментироваться на более мелкие вращающиеся элементы, тогда как малые кристаллы, наоборот, стремятся расти до достижения некоторого критического размера. Подобный эффект резко отличается от классического механизма роста кристалла, при котором вещество обычно равномерно увеличивается в объеме при благоприятствующих условиях.

Компьютерные расчетные модели авторов исследования подтверждают наличие реальных перспектив практического применения. В частности, уникальные механические характеристики новых кристаллических образований могут послужить базой для проектирования современных технических коммутирующих устройств.

Тем временем в России создали светочувствительную матрицу для телесистем спецназначения.