Paggamit ng Mga Ultrasound Waves upang Gumawa ng Mga Modelo na Hindi Na Umuulit

Ito ay isang semi-pana-panahong dalawang-dimensional na modelo. Kredito: Sa kabutihang loob ni Fernando Guevara Vasquez

Ang pamamaraan ng paggawa ng quasipattern ay maaaring humantong sa napapasadyang mga materyales.

Ang mga matematiko at inhinyero sa Unibersidad ng Utah ay nagsama-sama upang ipakita kung paano nag-oorganisa ang mga alon ng ultrasound ng mga carbon particle sa tubig sa isang hindi naulit na pattern. Ang mga resulta, sinabi nila, ay maaaring magresulta sa mga materyal na tinatawag na “semi-crystals” na may mga espesyal na katangian ng magnetiko o elektrikal.

Ang pananaliksik ay nai-publish sa journal Mga Sulat sa Physical Review.

“Ang mga quasicrystal ay kagiliw-giliw na pag-aralan sapagkat mayroon silang mga katangian na hindi ginagawa ng mga kristal,” sabi ni Fernando Guevara Vasquez, isang associate professor ng matematika. Napag-alaman na mas mahirap ito kaysa sa mga katulad na pana-panahong o hindi regular na materyales. Maaari rin silang magsagawa ng kuryente o magsabog ng mga alon sa iba’t ibang paraan kaysa sa mga kristal. “

Mga pattern na walang pattern

Larawan ng isang checkerboard. Maaari kang kumuha ng dalawang parisukat na dalawang parisukat na dalawang itim at dalawang puting (o pula) na mga tile at kopyahin at i-paste upang makuha ang buong checkerboard. Ang nasabing mga “pana-panahong” istraktura, gumawa muli, natural itong nangyayari sa mga kristal. Halimbawa, kumuha ng isang butil ng asin. Sa antas ng atomic, ito ay isang mala-grid na mesh ng sodium at chloride atoms. Maaari mong kopyahin at i-paste ang mesh mula sa bahagi ng kristal at makahanap ng isang tugma sa anumang iba pang bahagi.

Gayunpaman, ang isang semi-pana-panahong istraktura ay daya. Ang isang halimbawa ay ang modelo na tinatawag na Penrose flooring. Sa unang tingin, lilitaw ang mga geometric na tile na hugis brilyante sa isang normal na pattern. Gayunpaman, hindi mo maaaring kopyahin at i-paste ang pattern na ito. Hindi na mauulit.

Penrose Tiles (Rhombi)

Isang rhombus Penrose flooring na nagpapakita ng limang mga layer ng mahusay na proporsyon.

Ang pagtuklas ng mga semi-pana-panahong istraktura sa ilang mga metal na haluang metal ng mga materyal na siyentista na si Dan Schechtman ay nanalo ng 2011 Nobel Prize sa Chemistry at pinasimulan ang pag-aaral ng mga semi-kristal.

Mula noong 2012, ang associate professor ng mechanical engineering na sina Guevara at Bart Raeymaekers ay nakikipagtulungan sa disenyo ng materyal na may mga micro-scale pasadyang dinisenyo na istraktura. Sa una ay hindi nila sinusubukan na lumikha ng mga semi-pana-panahong materyales – sa katunayan, ang kanilang unang mga eksperimentong panteorya na pinangunahan ng mag-aaral ng doktor sa matematika na si China Mauck ay nakatuon sa mga pana-panahong materyal at kung anong mga pattern ng maliit na butil ang maaaring makuha gamit ang mga ultrasound wave. Nalaman nila na sa bawat dimensional na eroplano, ang dalawang pares ng parallel ultrasound transducers ay sapat upang ayusin ang mga maliit na butil sa isang pana-panahong istraktura.

Ngunit ano ang mangyayari kung mayroong higit pang mga converter? Upang malaman ito, si Raeymaekers at ang kanyang nagtapos na mag-aaral na si Milo Prisbrey (ngayon ay nasa Los Alamos National Laboratory) ay nagbigay ng mga tool sa pang-eksperimentong, at ang propesor ng matematika na si Elena Cherkaev ay nagbigay ng karanasan sa teorya ng matematika quacycrystal. Sina Guevara at Mauck ay gumawa ng mga pagkalkula sa teoretikal upang mahulaan ang mga pattern na lilikha ng mga transduser ng ultrasound.

Paglikha ng mga semi-pana-panahong hulma

Sinabi ni Cherkaev na ang mga quasiperiodic na modelo ay maaaring isipin bilang isang “hiwa at proyekto” na diskarte sa halip na isang diskarte sa pag-cut at paste.

Kung gagamitin mo ang hiwa at tampok na proyekto upang magdisenyo ng mga semi-pana-panahong pattern sa isang linya, nagsisimula ka sa isang parisukat na parilya sa isang eroplano. Pagkatapos ay iguhit mo o gupitin ang isang linya upang dumaan lamang ito sa isang grid node. Magagawa ito sa pamamagitan ng pagguhit ng linya sa isang hindi makatuwiran na anggulo, gamit ang isang hindi makatuwirang numero tulad ng pi, isang walang katapusang pagkakasunud-sunod ng mga numero na hindi na nauulit. Pagkatapos ay maaari mong ipalabas ang pinakamalapit na mga grid node sa linya at tiyakin na ang mga pattern ng mga distansya sa pagitan ng mga punto sa linya ay hindi na mauulit. Ang mga ito ay semi-pana-panahon.

Ang diskarte ay katulad sa isang dalawang-dimensional na eroplano. “Nagsisimula kami sa isang grid o pana-panahong pag-andar sa mas mataas na dimensional na puwang,” sabi ni Cherkaev. “Pinutol namin ang isang eroplano sa puwang na ito at sumusunod sa isang katulad na pamamaraan upang mapigilan ang pana-panahong paggana sa isang hindi makatuwiran na 2-dimensional na hiwa.” Kapag gumagamit ng mga transduser ng ultrasound, tulad ng pag-aaral na ito, ang mga transduser ay bumubuo ng mga pana-panahong signal sa mas mataas na puwang ng dimensional na iyon.

Layout ng Eksperimento ng Quasiperiodic ng Ultrasound

Ang pag-set up ng eksperimento na may apat na pares ng mga ultrasound transduser na nakapalibot sa isang reservoir na may carbon nanoparticle na nasuspinde sa tubig. Kredito: Sa kabutihang loob ni Fernando Guevara Vasquez

Nag-install ang mga mananaliksik ng apat na pares ng mga ultrasound transducer sa pag-aayos ng octagonal stop sign. “Alam namin na ito ang magiging pinakamadaling pag-set up na maipakita namin ang semi-periodic na pag-aayos ng maliit na butil,” sabi ni Guevara. “Mayroon din kaming limitadong kontrol sa kung aling mga signal ang gagamitin upang mapatakbo ang mga transduser ng ultrasound; mahalagang maaari lamang nating gamitin ang signal o ang negatibo. “

Ang pangkat ay naglagay ng maliliit na carbon nanoparticle na nasuspinde sa tubig sa ganitong octagonal na pag-aayos. Matapos mabuksan ang mga transduser, itinuro ng mga alon ng ultrasound ang mga carbon particle sa lugar, na lumilikha ng isang semi-pana-panahong pattern na katulad ng Penrose tile.

“Matapos magawa ang mga eksperimento, inihambing namin ang mga resulta sa mga hula ng teoretikal at nakarating kami sa isang napakahusay na kasunduan,” sabi ni Guevara.

Mga espesyal na materyales

Ang susunod na hakbang ay ang paggawa ng isang materyal na talagang may isang semi-pana-panahong pag-aayos ng pattern. Sinabi ni Guevara na kung ang mga maliit na butil ay nasuspinde sa isang polimer sa halip na tubig, hindi ito magiging mahirap kung ang mga maliit na butil ay maaaring pagalingin o pagalingin pagkatapos ng pagposisyon.

“Crucially, sa pamamaraang ito, makakalikha tayo ng mga semi-pana-panahong materyales na 2-D o 3-D at mahalagang maaaring magkaroon ng anuman sa mga karaniwang quasi-periodic symmetries sa pamamagitan ng pagpili kung paano namin ayusin ang mga transduser ng ultrasound at patakbuhin ito,” sabi ni Guevara .

Hindi pa malinaw kung ano ang magagawa ng mga materyal na ito, ngunit isang panghuling aplikasyon ay maaaring lumikha ng mga materyales na maaaring maproseso ang mga electromagnetic na alon tulad ng ginagamit ng 5G cellular na teknolohiya ngayon. Sinabi ni Cherkaev na kasalukuyang kilala na mga aplikasyon ng mga quasiperiodic na materyales ay nagsasama ng mga hindi patong na patong dahil sa kanilang mababang koepisyent ng alitan at mga patong na nagbibigay ng pagkakabukod laban sa paglipat ng init.

Gayunpaman ang isa pang halimbawa ay ang pagtigas ng hindi kinakalawang na asero sa pamamagitan ng pag-embed ng maliliit na semi-mala-kristal na mga particle. Ang press release para sa 2011 Nobel Prize in Chemistry ay nabanggit na ang mga semi-kristal na “maaaring palakasin ang materyal tulad ng baluti”.

Samakatuwid, sinabi ng mga mananaliksik na maaari nating asahan ang maraming mga bagong nakagaganyak na aplikasyon ng mga bagong istrakturang semi-pana-panahong nilikha ng ultrasound na pagpupulong ng maliit na butil.

Sanggunian: “Wave-based Assembly of Quasiperiodic Models of Particles” nina Elena Cherkaev, Fernando Guevara Vasquez, China Mauck, Milo Prisbrey at Bart Raeymaekers, 8 Abril 2021, Mga Sulat sa Physical Review.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.145501

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.