Hoe atomen zich op de kleinste schaal rangschikken, werd verondersteld een 'drum-skin'-regel te volgen, maar wiskundigen hebben nu een eenvoudigere oplossing gevonden.

Atoomarrangementen in verschillende materialen kunnen veel informatie geven over de eigenschappen van materialen, en wat het potentieel is om te veranderen waarvoor ze kunnen worden gebruikt.

Echter, waar twee materialen elkaar raken - op hun interface - ontstaan ​​complexe interacties die het voorspellen van de rangschikking van atomen moeilijk maken.

Nutsvoorzieningen, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van Imperial College London en Universidad Carlos III de Madrid hebben een nieuw model bedacht dat beter voorspelt hoe atomen ten opzichte van elkaar gerangschikt zijn.

Co-auteur professor Andrew Parry, van de afdeling Wiskunde van Imperial, zei:"Het is een geheel nieuwe manier om het grensvlak tussen vloeibaar en gas te bekijken. Het kan ook worden toegepast op andere soorten interfaces:wanneer twee verschillende materialen samenkomen en we willen weten hoe de atomen zich tot elkaar verhouden, deze ideeën kunnen worden gebruikt."

Waar gassen en vloeistoffen elkaar ontmoeten:een complexe situatie

Wanneer materialen in vaste toestand zijn, hun atomen zijn gerangschikt in zeer uniforme patronen - zoals roosters, platen en roosters. Dit betekent dat het kennen van de positie van één atoom de posities van alle naburige atomen kan onthullen.

Echter, in vloeistoffen en gassen, de rangschikkingen van atomen kunnen heel verschillend zijn over het volume van het materiaal. Atomen kunnen 'lokaal' dichter bij elkaar zitten, leidt tot dichtere gebieden, en kan snel veranderen.

Een van de meest complexe van deze situaties is wanneer vloeistoffen en gassen elkaar ontmoeten. Professor Parry zei:"Als je je een glas water voorstelt, de bovenste oppervlaktelaag van water in contact met lucht werkt anders dan het water eronder; het heeft oppervlaktespanning. Wanneer je het oppervlak verstoort, bijvoorbeeld door op het glas te tikken, de rimpelingen veranderen de patronen van wateratomen aan de oppervlakte."

Over een glas water, de rangschikking van atomen gecreëerd door rimpelingen wordt beschouwd als voortkomend uit 'trommelhuid'-achtig gedrag - de oppervlaktespanning betekent dat het water strak wordt getrokken als een trommel en dienovereenkomstig handelt wanneer het wordt verstoord.

De analogie van drumvel doorboren

Eerder werd aangenomen dat dit soort gedrag ook werkte op atomaire schaal:dat op het niveau van individuele atomen, hetzelfde soort drum-skin-gedrag vond plaats, de atomen op een bepaalde manier ordenen.

Echter, grote simulaties en berekeningen van hoe de atomen zich in deze situatie gedragen, laten geen verkleinde versie van het drumvel-gedrag zien, zoals zou worden verwacht.

Nutsvoorzieningen, Professor Parry en Dr. Carlos Rascón van de Universidad Carlos III de Madrid hebben een reeks nieuwe oplossingen voor dit probleem gevonden die niet afhankelijk zijn van de drum-skin-analogie.

Door informatie te combineren over de rimpelingen die ontstaan ​​wanneer het oppervlak wordt verstoord en hoe atomen lokaal clusteren, het duo kon ontdekken hoe atomen zich ten opzichte van elkaar rangschikken.

Tot de onderliggende eenvoud van het systeem komen

Professor Parry zei:"Telkens wanneer we verschijnselen op grotere schaal zien, zoals temperatuur, druk en oppervlaktespanning - ze komen meestal voort uit concepten die we in de microscopische wereld waarnemen. Vandaar, in dit geval komt het drum-huidgedrag voort uit iets heel anders op microscopisch niveau.

"We kunnen nu tot de onderliggende eenvoud van het systeem komen zonder de drum-skin-analogie te overdrijven."

De nieuwe theorie en reeks oplossingen kwamen overeen met de resultaten van de grootste simulatie van het gedrag van een vloeistof-gasinterface ooit, veel beter uitgevoerd dan het drum-skin-model.

"The Goldstone Mode and Resonances in the Fluid Interfacial Region" door A.O. Parry en C. Rascón is gepubliceerd in Natuurfysica .