24.01.2010
На фото:
Магнитный конструктор помогает разобраться в кластерных структурах, которые могут образоваться из определенного количества частиц. (Image courtesy of V. Manoharan)
Ученые давно исследовали причины самоорганизации атомных и молекулярных структур в кластеры определенной формы. Исследователи из Гарварда под руководством Винотана Манохарана (Vinothan Manoharan) и Майкла Бреннера (Michael Brenner) показали, как и почему группы атомов и молекул образуют менее симметричные и более сложные подвижные конструкции. Причина в энтропии.
Магнитный конструктор помогает разобраться в происходящем.
Манохаран из Гарвардской Школы инженерных и прикладных наук (Harvard's School of Engineering and Applied Science - SEAS) с коллегами использовал смесь коллоидных частиц, напоминающей майонез по консистенции, чтобы стимулировать образование кластеров у атомов и молекул. Несколько крошечных сфер из полистирола они помещали в микроскопические цилиндрические емкости, заполненные водой. Частицы - липкие жесткие сферы - соединялись в кластеры, как и группы взаимодействующих атомов или молекул, объясняет Манохаран. Ученые полагали, что при этом скорее образуются простые симметричные формы. Но оказалось все не так просто.
Шесть частиц могут образовать симметричный октаэдр- восьмигранник или соединиться в более сложную фигуру типа тритетраэдра. С точки зрения химической структуры, каждая форма дает двенадцать связей и имеет одинаковую потенциальную энергию. В связи с этим, решили ученые, обе структуры должны наблюдаться в одинаковых количествах. Однако они обнаружили, что фигуры типа тритетраэдров встречаются в двадцать раз чаще, чем октаэдры.
Единственное возможное объяснение тому – энтропия. Большинство знают о ней, как о мере «беспорядка», по-другому энтропию можно определить через количество различных способов, с помощью которых частицы могут самоорганизовываться, говорит Манохаран.
Чтобы посчитать эти возможности, ученые использовали детский
магнитный конструктор.
Так как существует больше возможностей создать более сложную структуру тритетраэдра, то эта форма появляется чаще. Среди кластеров с одинаковой потенциальной энергией реже оказываются симметричные структуры.
Ученые также выяснили, что если частиц больше девяти, то энтропия играет другую важную роль. Так как число возможных структур из девяти или более частиц огромно, то ученые занялись гибкими структурами. Поиграв с
магнитным конструктором, можно убедиться, что при этом образуются вращающиеся без разрыва связей кластеры.
«Так как они могут гибко двигаться, нежесткие кластеры имеют высокую энтропию из-за колебаний. В случае девяти и более частиц симметричные кластеры не появляются часто из-за вращательного вклада в энтропию. Способность к вращению удобна, она позволяет кластерам иметь дополнительные связи», - говорит Манохаран.
Ученые вывели правило, что для всех кластеров до восьми частиц и у некоторых до двенадцати, наиболее симметричные структуры появляются реже из-за энтропии.
Ученые собираются использовать результаты, чтобы понять процесс объемной кристаллизации, и объяснить, как частицы соединяются на первых стадиях образования кристалла.
The Free-Energy Landscape of Clusters of Attractive Hard Spheres. Guangnan Meng, Natalie Arkus, Michael P. Brenner, Vinothan N. Manoharan. Science 29 January 2010: Vol. 327. no. 5965, pp. 560 – 563 DOI: 10.1126/science.1181263.
http://www.seas.harvard.edu/news-events/press-releases/using-magnetic-toys-as-inspiration-researchers-tease-out-structures-of-self-assembled-clusters
