Когда молоко сбивается, молекулы жира в нем сближаются, образуя агрегаты. Лимонный сок увеличивает кислотность молока и создает аналогичные молекулярные комки. Однако масло и творог не являются твердыми веществами, потому что в обоих случаях агрегированные молекулы по-прежнему сохраняют постоянное расстояние друг от друга, ведя себя так, как будто они являются частью жидкости.
Существуют аналогичные жидкости, как природные, так и созданные руками человека, в которых молекулы собираются вместе, как твердое тело, в определенных локализованных областях объемного материала. Гели и кремы для бритья — это промышленные образцы. Рецепты создания таких материалов существуют, но ученые не всегда понимают, почему они работают. Следовательно, создание новых типов функциональных материалов из существующих зависит от обоснованных предположений и включает метод проб и ошибок.
Совместное исследование Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) и Лос-Аламосской национальной лаборатории открыло способ прогнозирования возникающих структур и объемных свойств новых материалов такого типа, поскольку они создаются на основе вариаций существующих рецептов. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Soft Matter. Это открытие имеет важное технологическое значение для производства новых функциональных материалов.Подобно тому, как повар, работающий по известному рецепту, изменяет вкус блюда, изменяя количество его компонентов, добавляя новые и изменяя время приготовления, ученые-экспериментаторы делают аналогичные вещи с материалами, пытаясь обнаружить фундаментальные законы.
Они толпятся управляющие молекулы в заданном пространстве при разных условиях. Добавление нового компонента, перемешивание кастрюли или изменение температуры влияет на то, сколько молекул может перемещаться и насколько они могут подойти друг к другу, изменяя силы притяжения и отталкивания, действующие на молекулярном уровне.
Только в определенных случаях изменение материала необратимо.Исследователи OIST обнаружили золотую комбинацию этих сил притяжения и отталкивания, то есть они обнаружили ранее неизвестную математическую взаимосвязь между ними, которая позволяет предсказывать структуру и объемные свойства получаемого материала.«Мы обнаружили простое соотношение, которое сравнивает общие силы притяжения с общими силами отталкивания в материале.
Его значение в различных экспериментальных условиях соответствует степени молекулярной агрегации. нас ", — сказал Тамогна Дас, ведущий автор статьи и научный сотрудник отдела коллективных взаимодействий OIST.В реальных объемных системах именно степень молекулярной агрегации определяет конечные свойства получаемого материала. Исследователи OIST провели двухмерное моделирование с участием десятков тысяч частиц. Чтобы управлять смоделированными частицами, они вводили существующие уравнения контроля межмолекулярной толпы в свою систему и вводили значения, которые могли бы привести к образованию агрегатов.
Они повозились со своей численностью, так что агрегация происходила в разной степени. Такие переменные, как внешняя температура и общая плотность распределения полученных агрегатов, оставались постоянными для каждого набора значений.
В поисках взаимосвязи между изменяющимися значениями параметров, управляющих их моделированием, и изменяющейся степенью агрегации, они сделали важное открытие. Их выводы можно легко адаптировать к трём измерениям в соответствии с реальными жизненными ситуациями.Это открытие позволит экспериментаторам обойти математические детали реорганизации, происходящей на молекулярном уровне в этих специальных материалах. Это позволит им предсказать свои возникающие объемные свойства, используя минимально возможную информацию о внешних условиях, которыми можно манипулировать с помощью эксперимента.
С прагматической точки зрения это означает, что не всегда необходимо знать, почему целое больше суммы его частей.Помимо практических приложений, это также крупный научный прогресс, учитывая, что те же математические параметры использовались для описания межмолекулярных сил внутри материалов с начала XIX века.