Физики смоделировали столкновение двух сферических наночастиц в вакууме

Yoichi Takato
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.
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.
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