Een 50 jaar oude puzzel in statistische mechanica is opgelost door een internationaal team van onderzoekers die hebben bewezen dat tweedimensionale (2-D) vloeistoffen fundamenteel andere dynamische eigenschappen hebben dan driedimensionale (3-D) vloeistoffen.

Onderzoekers gebruiken routinematig 2D-experimenten en simulaties om 3D-vloeistoffen weer te geven, simpelweg omdat studies in 2D gemakkelijker te doen zijn.

Met deze onderzoeken natuurkundigen streven naar het rationaliseren van bekende macroscopische vloeistofeigenschappen, zoals de viscositeit, in termen van de microscopische beweging van de deeltjes, die in 2D direct kunnen worden gevisualiseerd.

Het team onder leiding van universitair hoofddocent Massimo Pica Ciamarra aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) wilde de 'thermische beweging' van atomen in 2D- en 3D-vloeistoffen begrijpen.

Met behulp van een mix van pen-en-papier berekeningen en numerieke simulaties, ze voorspelden dat atomen in 2D-vloeistoffen lange afstanden kunnen afleggen voordat ze hun beginposities effectief 'vergeten'. Dit gedrag geeft aanleiding tot een subtiele collectieve beweging van de atomen, van een soort waarvan eerder werd gedacht dat het alleen in vaste stoffen voorkomt.

Om hun theoretische bevindingen te bevestigen, de onderzoekers voerden experimenten uit die de bewegingen van colloïdale deeltjes onder een microscoop volgden. In gewone driedimensionale vloeistoffen, dergelijke deeltjes voeren een soort willekeurige beweging uit die bekend staat als Brownse beweging.

Maar in tweedimensionale vloeistoffen, het team was in staat om aan te tonen dat de Brownse beweging wordt overlapt met grootschalige collectieve bewegingen. Eerder werd aangenomen dat deze collectieve beweging alleen voorkomt in 2D-vaste stoffen, zoals voorspeld in de jaren zestig door Mermin en Wagner.

Het bewijs van het fundamentele verschil tussen 2D- en 3D-vloeistoffen werd verkregen door onderzoekers van NTU Singapore, het Jawaharlal Nehru Centrum voor geavanceerd wetenschappelijk onderzoek in India, de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, en de Universiteit van Californië (Los Angeles) in de Verenigde Staten. Hun werk werd in november gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Onze ontdekking laat zien dat tweedimensionale vloeistoffen en driedimensionale vloeistoffen niet zomaar varianten van elkaar zijn, maar fundamenteel verschillende soorten materie, " zei Assoc Prof Pica Ciamarra.

"Onze bevindingen helpen om veel raadselachtige verschillen tussen de dynamische eigenschappen van twee- en driedimensionale vloeistoffen te verklaren, die in de wetenschappelijke literatuur was vermeld, " zei Assoc Prof Pica Ciamarra. "Het is alleen in 2-D, niet in 3D of hogere dimensies, dat de relaxatietijd niet omgekeerd evenredig is met de diffusie van de deeltjes."

"Om relevante informatie over de dynamiek van 3D-vloeistoffen uit de 2D-onderzoeken te halen", voegde Dr. Y.-W. Li, co-auteur van deze studie, "Onderzoekers moeten een manier ontwikkelen om het effect van de waargenomen collectieve deeltjesoscillaties selectief uit te filteren."