Учёные открыли необычный класс материалов – кристаллы, состоящие из вращающихся частиц. Эти «странные» кристаллы обладают удивительными свойствами: они могут самопроизвольно распадаться на части, формировать необычные границы зёрен и демонстрировать управляемые структурные дефекты. Международная группа физиков из Ахена, Дюссельдорфа, Майнца и Университета Уэйна (Детройт, США) представила в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) комплексную теоретическую основу, описывающую поведение таких систем, основанных на так называемых «поперечных взаимодействиях».
Поперечные силы, лежащие в основе этих материалов, встречаются не только в синтетических средах, таких как некоторые магнитные твёрдые тела, но и в живой природе. К примеру, эксперименты в Массачусетском технологическом институте (MIT) показали, что группы эмбрионов морских звёзд, двигаясь, влияют на вращательное движение друг друга. Хотя биологическое значение этого скоординированного движения ещё не до конца ясно, оно демонстрирует ключевую особенность подобных систем: взаимодействие вращающихся объектов.
Профессор Хартмут Лёвен из Института теоретической физики II Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе отмечает, что система из множества вращающихся элементов демонстрирует качественно новое, неинтуитивное поведение. При высокой концентрации такие объекты образуют твёрдое тело роторов, обладающее «странными» материальными свойствами. Одно из них – «странная упругость». Если обычный материал растягивается при приложении силы, то «странно-упругий» материал реагирует на это скручиванием, а не растяжением.
Эти «странные» твёрдые тела могут самопроизвольно распадаться. Когда вращающиеся частицы достаточно сильно трутся друг о друга, материал фрагментируется на множество мелких вращающихся кристаллитов. Удивительно, но эти фрагменты способны затем снова собираться в единую когерентную структуру.
Научная группа под руководством профессора Чжи-Фэна Хуана из Университета Уэйна и профессора Лёвена разработала многомасштабную теоретическую модель для описания поведения этих «странных» кристаллов. Проведённые с помощью моделирования эксперименты раскрыли неожиданные закономерности и потенциальные технологические применения.
Исследователи обнаружили, что крупные кристаллы, управляемые поперечными взаимодействиями, имеют тенденцию распадаться на более мелкие вращающиеся единицы, тогда как малые кристаллы растут до достижения определённого критического размера. Это противоречит традиционным представлениям о росте кристаллов, где материалы обычно стабильно расширяются при благоприятных условиях. Профессор Хуан подчёркивает: «Мы открыли фундаментальное свойство природы, лежащее в основе этого процесса, которое определяет взаимосвязь между размером критических фрагментов и их скоростью вращения».
Соавтор исследования, профессор Рафаэль Витковски из Института интерактивных материалов имени Лейбница (DWI) и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, добавляет, что учёные также показали, как дефекты в кристаллах проявляют собственную динамику. На формирование таких дефектов можно воздействовать извне, что позволяет целенаправленно управлять свойствами кристаллов для различных сфер применения. Доктор Михаэль те Вругт, доцент Майнцского университета, утверждает: «Наша всеобъемлющая теория охватывает все системы, демонстрирующие подобные поперечные взаимодействия. Возможные области применения простираются от коллоидной химии до биологии». Профессор Лёвен видит конкретный прикладной потенциал: «Новые упругие свойства этих кристаллов могут быть использованы, например, для создания новых технических переключающих элементов».
Для понимания сути явления важно различать центральные и поперечные силы. В физике такие взаимодействия, как гравитация или сила Кулона, считаются центральными, поскольку они действуют вдоль линии, соединяющей центры двух тел, заставляя их либо притягиваться, либо отталкиваться. Поперечные взаимодействия, в свою очередь, представляют собой недавно открытый класс сил, действующих перпендикулярно этой центральной оси. Такое необычное направление вызывает спонтанное вращение тел друг вокруг друга – динамику, лежащую в основе этих недавно обнаруженных вращающихся кристаллов.
