2008年8月6日
“你们美人蕉改变物理定律!”Scotty warned Captain Kirk on "Star Trek." But engineers and physicists at the马里兰大学可能重写其中之一。
热力学第三定律是约翰•肯明斯的思想材料科学和工程学副教授马里兰大学的a·詹姆斯克拉克学院的工程,和他的研究团队检查冰的晶格结构和寻求定义完全冻结的时候会发生什么。亚博网站下载亚博老虎机网登录
“开发一个精确的模型冰将帮助架构师、土木工程师、环境工程师理解发生了什么结构和系统暴露在寒冷条件下,“肯明斯说。“它还可以帮助我们更好地理解和预测冰川的运动。”
了解冷冻过程并不像看起来那么简单。pseudo-ice的团队开发类型,而不是使用真正的冰,为了做到这一点。
尽管是地球上最丰富的材料之一,水,尤其是它如何冻结,并不是完全理解。亚博网站下载大多数人学习,随着气温下降,水分子移动更慢,并且在温度低于32ºF / 0ºC,他们锁进位置,创建一个固体冰。发生了什么在分子水平上,肯明斯说,更复杂的问题。首先,它似乎是在冲突与物理学的一个基本法则。
热力学第三定律,温度的纯物质走向绝对零度(数学最低气温可能)它的熵,或分子的无序行为,也趋于零。分子应该有序地排队。
冰似乎是该规则的例外。虽然冻结成冰的氧原子有序晶体结构,其氢原子不。
“氢原子停止运动,”肯明斯解释说,“但他们只是阻止他们发生在撒谎,在不同的配置在整个水晶与它们之间没有相关性,也没有一个降低了能源足够的接管和减少熵为零。”
第三定律也是一个真正的法律,或更多的指导?
“这是一个很大的基本问题,肯明斯说。“如果有一个例外,这是一个经验法则。”
亚博网站下载按原书面材料,违反了第三定律被发现在1930年代,主要非晶的眼镜和聚合物等物质。第三定律是重写说所有纯晶体材料的熵走向零温度趋向于绝对零度。亚博网站下载冰是crystalline-but似乎只有它的氧原子遵守法律。在很长一段时间,在极低的温度下,然而,冰可能完全秩序本身,但这是科学家还没有证明。
创建一个精确的模型冰的研究一直是困难的。冰的晶格的研究需要精确维护温度低于液氮(-321°F (-196°C),以及大量的时间:没有人知道要花多久冰最终达到有序状态——或者如果它。实验表明,如果添加氢氧化钾水,它将在一个有序结晶方法,但研究人员不知道为什么,和必要的而且不应该由于第三定律断言纯物质应该下令冻结。
为了克服这些问题,科学家们设计了meta-materials,试图模拟冰的行为,但创建了完全不同的物质。亚博网站下载之前的材料,自旋冰,从稀土元素,并设计一种类似冰的分子结构,与磁性原子(旋转)代表氢原子的位置。然而,它并不总是像冰。
肯明斯集团是精炼的继任者自旋冰称为人工旋冰,宾夕法尼亚州立大学的研究人员最初是这方面的先驱。新的meta-material需要进一步的想法。
“原来的自旋冰研究从元素周期表的一部分更灵活,”肯明斯说。“但是人工旋冰元素周期表。”
人工自旋冰是一家集“pseudo-atoms”铁镍合金制成的。每个pseudo-atom是一个大规模的模型由数以百万计的原子的集体行为模仿的一个。
与原来的自旋冰,磁场是氢原子的替身。在这个“大”规模——每个pseudo-atom 100 x30纳米大小(100纳米是比人类头发的宽度较小的1000倍),使研究人员控制材料和自由探索真正的原子的行为。
“这模仿真正的冰的行为,但完全可被识别的特定属性,“肯明斯说。“我们可以改变旋转或用合金的强度改变磁性,这创造了新的批量属性,我们要么无法从正常的材料,或不能控制在原子水平。”亚博网站下载
团队也能够图像伪氢原子的行为用电子显微镜,直接观察是不可能与原来的自旋冰或真正的冰。
”这是第一次冰的规则行为曾经严格确认通过直接计算伪氢原子,”托德Brintlinger组成员和博士后研究助理解释道。“我们可以跟踪每个伪原子的位置和运动在我们的模型中,晶格缺陷在哪里发生,和模拟在更长一段时间会发生什么。”
最终影响的研究可能超越土木工程和环境。“虽然我们模仿冰的行为,”肯明斯解释说,“我们meta-material非常类似于媒体的硬盘。磁“比特”用于硬盘驱动器通常是随机放置,但记忆密度可以增加如果他们在一个紧,规律。
“我们发现,氢在冰和pseudo-hydrogen人工旋冰也像位,可以携带信息,并相互影响。也许在未来,工程师将受到这个硬盘驱动器的设计。正式的模式和一些交互实际上可能有助于稳定信息,最终导致驱动器更高的能力。”
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