Физики смоделировали столкновение двух сферических наночастиц в вакууме

Физики смоделировали столкновение двух сферических наночастиц с помощью метода молекулярной динамики и определили, как на возникающую при столкновении силу и перераспределение атомов в частицах влияет их кристаллическая структура. Оказалось, что если аморфные наночастицы при столкновении ведут себя практически так же, как и макроскопические, то для кристаллических наночастиц наблюдается линейная связь силы и деформации, пишут ученые в Proceedings of the Royal Society A.

Отклик на внешнее механическое воздействие — важная характеристика большинства материалов, в том числе и состоящих из наночастиц. Изменяя силу, которая возникает при контакте или столкновении нескольких наночастиц между собой, можно управлять процессами самосборки наносистем, варьировать их поверхностные свойства или передавать в нужное место энергию. Известно, что большинство наночастиц сталкиваются друг с другом практически упруго, почти не теряя энергии и очень слабо деформируясь, однако в некоторых случаях даже короткий контакт может повлиять на пространственное распределение атомов в частице и привести к заметному перераспределению энергии в результате этого столкновения. Отдельный интерес при столкновении наночастиц представляет влияние на него дискретной атомарной структуры, в результате которого силы контактного взаимодействия могут довольно сильно отличаться от подобных сил для макроскопических упругих объектов. Тем не менее, детально взаимодействие двух сталкивающихся наночастиц размером в несколько нанометров до сих пор оставалось не изучено.

Для определения сил контактного взаимодействия, которые возникают при столкновении двух наночастиц, группа физиков из США и Японии под руководством Йоити Такато (Yoichi Takato) из Университета штата Нью-Йорк в Баффало смоделировала такое столкновение с помощью метода молекулярной динамики. Каждый атом в этой модели представлялся в виде шарика, который взаимодействует с другими такими же шариками по заданным законам, описываемым модифицированной формой потенциала Леннард—Джонса. Из нескольких сотен таких атомов составлялись аморфные или кристаллические частицы, которые в вакууме сталкивались друг с другом.

Всего в работе было смоделированы три варианта столкновений: между двумя аморфными частицами без выраженной кристаллической структуры, между двумя кристаллическими наночастицами, которые сталкиваются по одной из плоских граней, или между двумя такими же кристаллическими частицами, но которые сталкиваются друг с другом неупорядоченными краями. Размер частиц варьировался, но во всех случаях не превышал 10 нанометров.

Измерения сил, действующих во время столкновения на частицы показали, что столкновение друг с другом аморфных частиц или кристаллических частиц по неупорядоченным краям, приводит к возникновению нелинейных напряжений, полностью аналогичным тем, которые возникают при контакте макроскопических тел и описываются классической формулой Герца. При столкновении же двух кристаллических наночастиц по упорядоченным кристаллическим граням происходит образование упругого контакта с линейной связью между деформацией и силой. По словам ученых, в будущем такой линейный контакт можно использовать для создания покрытий, способных эффективно запасать или перераспределять кинетическую энергию практически без потерь.

Механизм диссипации энергии при столкновение двух аморфных частиц ученые изучили, оценив смещение каждого из атомов в наночастице во время столкновения. Оказалось, что даже при больших скоростях столкновения смещаются только несколько поверхностных слоев атомов, подавляющая же их часть остается на тех же позициях, что и до столкновения.

По словам ученых, полученные ими результаты помогут точнее проектировать устройства, основанные на использовании наночастиц. В первую очередь это касается тех устройств, для которых важно точно контролировать долю поглощенной энергии при механическом воздействии — будет ли энергия при контакте полностью сохраняться, или наоборот диссипировать, подавляя внешнее воздействие.

Процессы, происходящие при столкновении между собой различных объектов, часто становятся предметом исследования ученых. Например, в одной из недавних работ, физики обнаружили образование необычного конусообразного всплеска при столкновении друг с другом капли воды и металлического шарика.

Александр Дубов