當液體和氣體相遇時原子會有什麼神奇反應？

原子如何在最小尺度上排列曾被認為遵循「鼓皮」規則，但數學家們現在找到了一個更簡單的解決辦法。不同材料中的原子排列可以提供許多關於材料性質的信息，以及改變材料用途的可能性。然而當兩種材料接觸時（在它們的界面上）會產生複雜的相互作用，這使得預測原子的排列變得困難。如今倫敦帝國理工學院(Imperial College London)和馬德里大學(university of Carlos III de Madrid)的研究人員在《自然物理》(Nature Physics)上發表的一篇論文中，提出了一種新的模型，能夠更好地預測原子之間的排列關係。

博科園-科學科普？來自帝國理工學院數學系的安德魯·帕里教授是論文的合著者說：這是一種全新的觀察液氣界面的方式。它也可以應用於其他類型的界面:每當兩種不同的材料走到一起，我們想知道原子是如何相互聯繫的，這些想法就可以被使用。氣體和液體在哪裡相遇：複雜的情況當物質處於固態時，它們的原子排列成非常均勻的模式——像網格、薄片和晶格。這意味著，知道一個原子的位置可以揭示其所有相鄰原子的位置。然而在液體和氣體中，原子的排列在整個材料的體積中是非常不同的。原子可能被「局部地」更緊密地聚集在一起，導致更密集的區域，並可能迅速改變。

圖片：CC0 Public Domain

這些情況中最複雜的一種是液體和氣體相遇的時候。帕里教授說：如果你想像一杯水，與空氣接觸的上層水與下層水的作用是不同的，它有表面張力。當你擾動表面時，例如敲擊玻璃，漣漪會改變表面水原子的模式。在一杯水中，由漣漪產生的原子排列被認為是由「鼓皮」式的行為引起的——表面張力意味著水被拉得像鼓一樣緊，並在受到擾動時做出相應的反應。以前人們認為這種行為也在原子尺度上起作用:在單個原子的層次上，也發生了同樣的鼓皮行為，以某種方式對原子進行排序。然而對原子在這種情況下的行為進行的大型模擬和計算並沒有像預期的那樣顯示出鼓皮行為的縮小版。現在來自馬德里卡洛斯三世大學的帕里教授和卡洛斯·拉斯康博士已經找到了一系列解決這個問題的新方法，這些方法並不依賴於鼓皮的類比。

通過結合表面受擾動時產生的波紋以及原子如何在局部聚集的信息，這兩人能夠揭示原子如何在相互之間排列。帕里教授說：每當我們在更大的尺度上看到諸如溫度、壓力和表面張力等現象時，這些現象通常來自於我們在微觀世界中觀察到的概念。因此在這種情況下，鼓皮的行為產生於微觀層面上完全不同的東西。現在可以不必過分誇大鼓皮的比喻，就能得到該系統潛在的簡單性。新的理論和解決方案與迄今為止最大的液-氣界面行為模擬結果相匹配，模擬結果比鼓皮模型要好得多。由A.O.帕里和C.拉斯康合著的《流體界面區域的戈德斯通模態和共振》發表在《自然物理》上。

博科園-科學科普｜研究/來自：倫敦帝國理工學院

參考期刊文獻:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-018-0361-z

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