Исклучително тенки течни филмови - спектар на наука
Исклучително тенки течни филмови
Водата нема решетки. Молекулите во течност не нудат сериозна отпорност на поместување од цврста материја. Тие едноставно попуштаат, иако нема големи празни места меѓу нив, како што е случајот со гасовите. Тие се многу блиску еден до друг, но не толку блиску што нема простор за избегнување.
Во многу случаи, може да се помислат на течни молекули како мали сфери кои се привлекуваат едни со други на кратко растојание, но не толку силно што тие се движат по ранг и датотеки на фиксни места и во најдобар случај нечеснуваат малку таму; тоа би било (кристално) цврсто. Наместо тоа, тие се во постојано движење и просторно хомогени: веројатноста да се сретнете со молекула на течност во одредена точка на просторот во одреден временски интервал е во просек иста за сите точки во течноста. Со кристал, од друга страна, одлучувачки фактор е дали барате атом на решеткаста точка или некаде помеѓу.
Оваа слика драматично се менува кога има многу малку простор за да се избегне, на пример со фактот дека течноста е клин помеѓу две рамнински паралелни плочи оддалечени неколку молекуларни дијаметри. Вискозитетот (цврстина) на течниот циклохексан во оваа ситуација се зголемува за четири моќност од десет, а течниот филм нуди значителна отпорност на смолкнување. И двете се повеќе карактеристични за цврстите материи. Како и да е, постојат многу индикации дека филмот на циклохексан едноставно не "замрзнува", што значи да се добие многу подредена структура како цврста.
Од техничка гледна точка, течните филмови се од големо значење; типичен пример за примена се маслата за подмачкување. Со минијатуризацијата на машините во контекст на микромеханиката, течниот филм помеѓу подвижните делови може да стане толку тенок што ги губи својствата на подмачкување.
Па, што прават течните молекули кога работите ќе се стегнат? Тие имаат тенденција да бидат распоредени во слоеви паралелни со плочите. Во извесна смисла, се чувствувате најпријатно кога точно голем број слоеви се вклопуваат помеѓу панелите; ако тоа не е случај, постои скрум со цел враќање на уредната состојба.
Овие движења на одделни молекули не можат да се мерат; Дури и идејата за молекулите како сфери е само - многу корисно - грубост на реалноста. Опишаната слика не може лесно да се заклучи од експериментите; дополнителни информации се добиваат со симулирање на состојбата на компјутерот. Извршивме симулации од ваков вид на Институтот за теоретска физика при Техничкиот универзитет во Берлин и на Катедрата за физика на универзитетот Бергише Вупертал.
Може да се види дека F (h) варира помеѓу позитивните и негативните вредности во зависност од h. Овие осцилации имаат периоди по редослед на големината на течна молекула (околу дијаметарот на сферичните молекули). Тие се смируваат со зголемено растојание и целосно исчезнаа по околу 5-10 периоди (поле, десно горе). Особено, постојат растојанија на кои силата е нула, т.е. системот е во механичка рамнотежа. Ако има јаз помеѓу, течноста се обидува да ги истурка плочите или да ги повлече заедно.
Веќе од оваа се заклучи структурата на слојот опишана погоре; Сепак, само компјутерските симулации беа во можност да донесат јасност.
Основната идеја е едноставна: Макроскопските величини што можат да се мерат во експериментите, како што се притисокот, температурата и вискозноста, се средни вредности на системот што можат да се пресметаат од моменталната состојба на неговите молекули. Оваа микроскопска состојба се менува континуирано; но поради големиот број молекули, дури и насилните промени во малата состојба се забележуваат само како незабележливи флуктуации на макроскопските величини. Затоа е доволно да се обезбеди соодветен асортиман на состојби случајно - па оттука и името метод Монте Карло - да се пресмета моменталната вредност на макроскопските величини за секоја од нив и да се направи просек повторно над овие резултати.
Сепак, ова мора да се направи на вистински начин: некои услови се со поголема веројатност од другите, и секоја состојба мора да биде просечна со фактор што одговара на неговата веројатност. На пример, две молекули можат да се приближат една до друга од она што можеме да го замислиме од сферите. Но, за ова топчињата треба да се дентираат, така да се каже, и енергијата потребна за ова не останува долго на едно место. Општо, државите со висок потенцијал на енергија се со помала веројатност од оние со помал потенцијал.
Симулацијата на комплетен, макроскопски течен филм е далеку поголема од можната. Дури и екстремно тенкиот течен филм веќе содржи 1016 молекули на квадратен сантиметар по редослед. Да се пресмета потенцијалната енергија или другите макроскопски величини на ваков ансамбл ќе ги преплави најголемите суперкомпјутери (моментално најбрзиот компјутер ќе има потреба од 1014 години за енергија на една таква конфигурација, десет илјади пати поголема од претходната старост на универзумот). За среќа, доволно е да сметаме на релативно малку прокси-молекули. Практиката покажува дека дури и системите со неколку стотици или илјада молекули се согласуваат во нивните основни својства со макроскопските системи.
Постои уште една предност: Во симулацијата на Монте Карло, практично нема дополнителни претпоставки кои би можеле да тргнат наопаку. Единствен исклучок е изборот на потенцијалот за интеракција, законот на сила што го опишува привлекувањето на молекулите на кратко растојание и нивното одбивање на уште пократко растојание. Како резултат и на околностите и на постојаното зголемување на перформансите на компјутерите, овие постапки станаа најважните методи на статистичката физика уште од нивните почетоци во 1950-тите и 1960-тите.
И покрај ограничувањето на многу мали системи, компјутерскиот напор е сè уште значителен и денес. Особено кога, како и во нашиот случај, системот е анизотропен, т.е. има сосема различни својства во различни просторни насоки - на пример, просторна експанзија - или кога меѓумолекуларните интеракции се комплицирани, за типична пресметка се потребни од половина час до неколку часа компјутерско време модерен векторски компјутер што може да изврши 107 до 108 аритметички операции во секунда.
Сферични молекули
Нашиот симулиран систем првично се состоеше од сферични течни молекули помеѓу рамно-паралелни плочи, кои за возврат - спротивно на реалноста - се целосно мазни. Ние ја занемаривме атомската структура на плочите, така што интеракцијата помеѓу молекула на течност и плоча зависи само од нивното меѓусебно растојание. Бевме во можност да ги репродуцираме експерименталните резултати барем квалитативно (поле на страница 71 погоре). Имаше среќа што молекулите на октаметилтетрасилоксан, кој е широко проучен во експериментите за СФА, всушност се сферични до добра апроксимација.
Нашите симулации обезбедуваат дури и појасни резултати од експериментот, бидејќи вториот неизбежно ги замаглува главните ефекти. Закривеноста на цилиндричните стаклени прачки е многу мала во молекуларна скала, но исто така се и растојанијата помеѓу прачките. Тие значително се менуваат во близина на точката каде што двата стаклени цилиндри се најблиску едни до други. Затоа SFA секогаш се користи за мерење на суперпозицијата на силите на различни растојанија, што значи дека се губат суштинските детали.
Со симулацијата, можеме да одговориме и на други прашања, на пример, за микроскопската структура на течниот филм, бидејќи имаме пристап до локацијата на филмските молекули во секој чекор од симулацијата. На овој начин можеме да провериме како стојат работите со хомогеноста (просторна униформа дистрибуција на молекулите). Ставаме замислени рамнини паралелни со плочите во филмот и броиме колку молекули - поточно: сферични центри - се во непосредна близина на секоја рамнина. Излегува дека овој број навистина зависи од положбата на рамнината помеѓу плочите (поле на горната страница 71). Постојат одредени растојанија на кои течните молекули претпочитаат да останат, додека тие се поретки меѓу нив. Тоа е структурата на постулираниот слој. Супстанцата е во посебна агрегатна состојба помеѓу течна (хомогена) и цврста (кристално нарачана); ова исто така објаснува некои посебни својства на тенки филмови.
Подетална анализа покажува дека минимум на силата F (h) точно одговараат на ситуациите во кои одреден број слоеви совршено се вклопуваат помеѓу плочите, т.е. проредот на плочата е составен мултипл на ефективниот молекуларен дијаметар. Во оваа ситуација, структурата на слојот, препознатлива по претходно споменатите флуктуации на густината, е особено изразена. Со зголемување на растојанието помеѓу плочите, филмот со k слоеви се повеќе се протега сè додека конечно не се претвори во филм со k + 1 слоеви. Ова преуредување се одвива во суштина во средината помеѓу двете плочи.
Нерамни атоми
Кога станува збор за течности како средства за подмачкување, она што е важно е отпорот што го нуди филмот за течење на смолкнување (паралелно поместување на едната плоча наспроти другата). Со цел правилно да се сфатат овие појави, мора да се земе предвид дека површината на плочите не е совршено мазна, туку е трнлива бидејќи се состои од индивидуални атоми.
Замислете две такви површини да лежат толку блиску еден до друг што атомите на едната се вклопуваат во празнините во другата. Ако повлечете една од површините паралелна на површинската рамнина со зголемување на силата, таа воопшто не се движи додека силата не е доволна за да ги извлече атомите од празнините на соседната површина. Потоа, површината ја следи надворешната сила со тресне, се враќа назад во нејзиниот колега по една ширина на мрежата и така натаму - нешто како влечење тешка количка преку калдрмата.
Сценариото е нереално со тоа што тешко дека ќе биде можно да се притиснат двете површини заедно без странски атоми помеѓу нив - и ако го сторат тоа, тие наскоро ќе се обединат за да формираат кристал. Сепак, горенаведената тресење се јавува и кога плочите се одделуваат едни од други со исклучително тенок слој на течност. Ова може да се докаже со експерименти. Коли и надворешна сила повторно може да се реализираат со употреба на пиезо кристали.
Ова може да се симулира во симулациите во Монте Карло со поставување на еден слој сферични молекули помеѓу површините. Овие сега се моделирани како да се составени од атоми (грпкави), така што силата помеѓу молекулата на течноста и површината зависи од точната позиција на молекулата. За разлика од експериментите, во симулацијата можете да наведете дали двете површини се прецизно порамнети или се во јаз меѓу нив. Спротивно на тоа, во експериментот ги контролирате силите што се резултат на пресметката во симулацијата: експериментот и симулацијата се комплементарни едни на други.
Доколку просторот е веќе толку тесен, молекулите на течноста всушност треба да се прилагодат на структурата на решетката што е притисната врз нив од двете страни. Течноста би се концентрирала на фиксни места и со тоа станува цврста. Но, ова генерално не се случува бидејќи ширината на решетката на кристалот, која треба да се формира од молекулите на течноста, не одговара на ширината на решетката на интерфејсните кристали. Ова однесување може да се прочита од број што го опишува степенот на регуларност во распоредот на молекулите на течноста. Овој параметар за нарачки има вредност 1 за кристална цврста и 0 за слободна течност. Во симулациите, параметарот за редослед во најдобриот случај (прецизно порамнети атомски позиции во обете површини) не надминува 0,5 и се намалува на 0 како што се движат плочите.
Неверојатно, и покрај нискиот степен на нарачка, филмот може да издржи големи напрегања на смолкнување, како што резултира повторно од симулациите во Монте Карло. Штом плочите се стрижат едни на други од најповолната позиција, филмот врши обновувачка сила што првично се зголемува пропорционално на отклонувањето како со нормална пружина на серпентина (Хук), а потоа побавно се додека не го достигне својот максимум во т.н. точка на запирање и потоа повторно паѓа. Тоа е положбата во која имагинарната количка е исправена над планината. Користејќи ги симулациите, можевме за прв пат да демонстрираме дека однесувањето на смолкнување како цврсто во многу тенки филмови не бара структура слична на цврста, но е директна последица на силното просторно разграничување.
Молекули во форма на прачка
Нови, интересни феномени се јавуваат кога молекулите на течноста повеќе не се сферични, туку, на пример, издолжени како мали прачки. Течните кристали познати од дисплеј панелите на часовници и лаптопи се состојат од такви молекули (видете „Течни кристали за оптички дисплеи“ од Улрих Финкенцелер, Спектар на науката, август 1990 година, стр. 54). Од нивната форма и видот на меѓумолекуларната интеракција, произлегува дека овие супстанции може да се појават и во таканаречените мезофази покрај вообичаените физички состојби. На пример, молекулите во немаматската мезофаза имаат префериран правец, додека нивните центри на гравитација се нарушени како во обична течност (слика подолу лево). Неодамна, течните кристали сè повеќе се откриваат како многу еластични лубриканти и затоа интензивно се испитуваат во експериментите за SFA.
Во соодветните симулации на Монте Карло, поставивме нематски течен кристал помеѓу две рамни плочи. Ја избравме интеракцијата помеѓу wallsидовите и течните молекули на таков начин што молекулите се усогласуваат по можност нормално на wallидот (т.н. хомеотропска ориентација).
Ако се пресмета притисокот што таквиот молекуларен слој го врши врз плочите, ограничувајќи го како функција на растојанието на плочата, како со сферичните молекули, ќе се најде пригушена осцилирачка крива со период што одговара многу добро на должината на прачката, како и со сферичните молекули . Сепак, кривата има рамена, што може да се припише на комплицирано преуредување на филмските молекули. Што детално се случува, може да се види во симулацијата (поле на страница 70/71 подолу).
Овие ефекти сè уште не се забележани во експериментот поради недоволна точност на мерењето. Нашите компјутерски симулации прават конкретно, експериментално допрва треба да се потврди предвидување на материјалното однесување на молекуларно тенки филмови со течни кристали.
Библиографија
Компјутерска симулација на кондензирани фази во сложените геометрии. Од Мартин Шоен. Спрингер, Хајделберг 1993 година.
Сили на солција во тенки филмови ограничени помеѓу макроскопски закривени подлоги. Ван Мартин Шоен, Томас Грун и Денис Di Дистлер во: Весник за хемиска физика, том 109, број 1, стр. 301-311, 1998.
Мека материја на тесно место. Од Стив Граник во: Физика денес, том 52, број 7, стр. 26-31, јули 1999 година.
Структура и фаза однесување на ограничена мека кондензирана материја. Од Мартин Шоен во: Компјутерски методи во науката за колоиди и интерфејси, од М. Боровко (уредник). Објавено есента 1999 година од Марсел Декер, Newујорк