Их исследование, которое появляется в журнале Science, показывает потребность заново продумать один из стандартных блоков науки и с ним, как некоторые основные принципы, лежащие в основе поведения вопроса, преподаются в наших классах. Исследователи исследовали способ, которым фазовый переход, определенно таяние тела, происходит на микроскопическом уровне и обнаружил, что переход намного более включен, чем более ранние модели составляли.«Это исследование показывает, что фазовые переходы могут следовать за многократными путями, который является в противоречии с тем, что мы ранее знали», объясняет Марк Такермен, преподаватель химии и примененной математики в Нью-Йоркском университете и одном из соавторов исследования. «Это означает простые теории о переходах фазы, что мы преподаем в классах, просто не правильные».
По словам Такермена, ученые должны будут изменить способ, которым они думают и преподают на фазовых переходах.Основы работы из 10-летнего проекта в Принстоне, чтобы развивать математическую структуру и компьютерные алгоритмы, чтобы изучить сложное поведение в системах, объяснил ведущий автор Вейнэн Э, преподаватель в Отделе Принстона Математики и Программы в области Прикладной и Вычислительной Математики.
Фазовые переходы, оказалось, были решающим прецедентом для своего алгоритма, сказал E. E и Такермен работал с Амитом Самантой, постдокторским исследователем в Принстоне теперь в Ливерморской национальной лаборатории, и Тан-Цине Ю, постдокторском исследователе в Бегущем Институте Нью-Йоркского университета Математических Наук.«Это был прецедент для довольно сильного набора инструментов, которые мы разработали, чтобы изучить трудные вопросы о сложных явлениях, таких как переходы фазы», сказал E. «Таяние относительно простого атомного тела, такого как металл, который, как доказывают, был чрезвычайно богат.
С пониманием мы извлекли пользу от этого случая, мы затем стремимся исследовать более сложные молекулярные твердые частицы, такие как лед».Результаты показывают, что переход фазы может произойти через многократные и конкурирующие пути и что переходы включают по крайней мере два шага.
Исследование показывает, что вдоль одного из этих путей первый шаг в процессе перехода – формирование дефектов пункта – местные дефекты, которые происходят в или вокруг единственного места в решетке в прозрачном теле. Эти дефекты оказываются очень мобильными. Во втором шаге дефекты пункта беспорядочно мигрируют и иногда встречаются, чтобы сформировать большие, беспорядочные группы дефекта.Этот механизм предсказывает, что «беспорядочная группа растет с внешней стороны в, а не от наизнанку, как текущие объяснения предполагают», отмечает Такермен. «Со временем эти группы растут и в конечном счете становятся достаточно большими, чтобы вызвать переход от тела до жидкости».
Вдоль альтернативного пути дефекты превращаются в тонкие линии беспорядка (названный «дислокациями»), которые достигают через систему. Небольшие жидкие регионы тогда объединяют вдоль этих дислокаций, эти регионы расширяются из региона дислокации, охватывая все больше тела, пока вся система не становится жидкостью.Это исследование смоделировало этот процесс, проследив медные и алюминиевые металлы от атомного тела до атомного жидкого состояния.
Исследователи использовали передовые компьютерные модели и алгоритмы, чтобы вновь исследовать процесс фазовых переходов на микроскопическом уровне.«Переходы фазы всегда были чем-то вроде тайны, потому что они представляют такую разительную перемену в состоянии вещества», Такермен наблюдает. «Когда система изменяется от тела до жидкости, свойства изменяются существенно».
Он добавляет, что это исследование показывает удивительную неполноту предыдущих моделей образования ядра и фазовых переходов – и помогает заполнить существующие промежутки в основном научном понимании.Эта работа поддержана Офисом Военно-морского Исследования (N00014 13 1 0338), армейское Исследовательское управление (W911NF-11-1-0101), Министерство энергетики (DE-SC0009248, DE-AC52-07NA27344), и Национальный научный фонд Китая (CHE-1301314).