Скорость высыхания повлияла на форму пучков нанотрубок
После контакта с жидкостями нанотрубки образуют разные необычные формы, причем на результат влияет не только изначальная конфигурация пучка трубок, но и скорость, с которой происходит высыхание. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Углеродные нанотрубки — полые структуры, напоминающие нити, только диаметром около нанометра. Из нанотрубок можно изготавливать наноматериалы, которые широко применяются для создания прочных покрытий, имитации различных тканей человеческого организма и даже адресной доставки лекарств. Интересное свойство нанотрубок состоит в том, что они могут сами образовывать наноматериал — это явление называется самоорганизацией.
Ученые научились реализовывать процесс самоорганизации при участии жидкостей, используя силы поверхностного натяжения и связанные с ними капиллярные явления. С помощью капиллярных эффектов физики уже получили причудливые структуры из нанотрубок: изогнутые, концентрические, закрученные цилиндры, эту технологию назвали «капиллярным формированием». Необычная форма получается за счет растворителя, который сначала конденсируется на нанотрубках, а потом испаряется с их поверхности.
Если в плотных массивах нанотрубок создавать пустоты, а после заполнять их каплями жидкости, то в процессе высыхания самоорганизация приводит к тому, что отверстия исчезают, и вместо них образуются выступающие гребни. При этом исследования, связанные с деформацией нанотрубок под действием жидкостей, не брали в расчет динамику капиллярных эффектов — то есть учитывалась только начальные параметры пучка трубок.
Недавно Самех Тувик (Sameh Tawfick) и его коллеги из Иллинойсского университета показали, что при расчете итоговой формы пучка нанотрубок нужно учитывать еще и скорость, с которой жидкость стекает с пучка после смачивания. Ученые погружали в жидкость пучки из нанотрубок, похожие на кисточки для рисования, только с круглым отверстием в центре. В зависимости от начальной формы пучков и скорости их высыхания наблюдались два вида деформаций.
При медленном стекании воды пучки нанотрубок сохранили свою изначальную конфигурацию и остались цилиндрами с пустотой в середине. Быстрое извлечение из воды привело к другому результату — произошло «закрытие» пучка, нанотрубки сжались в центре, в итоговой структуре уже не было отверстия.
Авторы работы объяснили это тем, что столбик жидкости, образующийся в полости при погружении, приводит к возникновению поверхностного натяжения, которое и вызывает закрытие пучка. При медленном высыхании жидкость успевает стечь из центра, поэтому столбик не образуется. Такой эффект проявляется и в более сложных структурах, например, в треугольных пучках и в пучках с несколькими отверстиями. Ученые разработали универсальные законы для прогнозирования кинематики усадки отверстия при медленном высыхании пучков и проверили их с жидкостями разной вязкости.
Мы уже писали о том, как капиллярный эффект в нанотрубках позволил создать солнечный парогенератор. А здесь можно узнать о капиллярном эффекте в сыпучих веществах.
Екатерина Назарова
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.