Quantifying translational and bond-orientational order metrics in hyperuniform and nonhyperuniform many-particle systems
تقدم هذه الورقة مقياسًا للنظام التوجيهي للروابط ليستكمل مقياس النظام الانتقالي ، مبرهنةً من خلال تحليل أنظمة الجسيمات الصلبة، والإضافة المتتالية العشوائية، والأنظمة شديدة التخفي، أنه في حين يكون النظام التوجيهي للروابط عمومًا تابعًا للنظام الانتقالي، إلا أن المقياسين مرتبطان إيجابيًا ويكشفان عن مسارات هيكلية متميزة تعتمد على طريقة التحضير.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في العالم الفيزيائي، تنظم المادة نفسها ضمن طيف يمتد من الفوضى التامة للغاز إلى المثالية الصلبة للبلورة. وبين هذين الطرفين، يمتد مشهد شاسع من المواد حيث لا تكون الجسيمات عشوائية تماماً ولا منتظمة بشكل مثالي. إن فهم الموقع الدقيق للمادة على هذا الطيف يمثل تحدياً جوهرياً لعلماء الفيزياء وعلوم المواد. ولعقود من الزمن، اعتمد الباحثون على أدوات مختلفة لقياس هذه الحالات؛ فبعض الأدوات تقيس مدى اصطفاف الجسيمات في صفوف مستقيمة، وهي خاصية تُعرف بالترتيب الانتقالي. وتقيس أدوات أخرى كيفية محاذاة الجسيمات لجيرانها في أنماط هندسية محددة، مثل تشكيل أشكال سداسية، وهو ما يسمى بالترتيب التوجيهي للروابط. كانت المشكلة تكمن في أن هذين النوعين من الترتيب تم قياسهما باستخدام لغات مختلفة، مما جعل من الصعب مقارنتهما مباشرة أو رؤية كيف يتطوران معاً أثناء تغير المادة.
تقدم دراسة جديدة أجراها أنيربان موخيرجي وسالفاتوري توركاتو في جامعة برينستون طريقة موحدة لقياس كلا النوعين من الترتيب في آن واحد. فقد طور الباحثان مقياسين جديدين، أو درجات عددية، يعاملان الاصطفاف الانتقالي والترابط الهندسي على أساس إحصائي واحد. ومن خلال تطبيق هذه المقاييس على مجموعة متنوعة من أنظمة الجسيمات المحاكية، رسموا خريطة لكيفية تطور النظام في مواد مختلفة. وتكشف أعمالهم أنه بينما ينمو هذان النوعان من الترتيب عادةً معاً، إلا أنهما لا ينموان دائماً بنفس السرعة، كما أن الطريقة التي يتم بها تحضير المادة يمكن أن تترك بصمة مميزة على بنيتها الداخلية.
اختبر الباحثون مقاييسهم الجديدة على ثلاثة أنواع مختلفة تماماً من أنظمة الجسيمات لمعرفة كيفية سلوك الدرجات. أولاً، نظروا في الأنظمة المتوازنة، وهي مجموعات من الجسيمات التي استقرت في حالة مستقرة، مثل الكرات الصلبة العائمة في سائل أو المرتبة في بلورة. ثانياً، فحصوا أنظمة غير متوازنة ناتجة عن عملية تسمى الإضافة المتتالية العشوائية، حيث يتم إسقاط الجسيمات واحداً تلو الآخر في حاوية حتى لا يتسع مكان لمزيد منها، وهي طريقة تحاكي كيفية انحشار بعض المواد دون أن تشكل بلورة أبداً. ثالثاً، درسوا فئة خاصة من الأنظمة "المتخفية" المصممة لتثبيط تقلبات الكثافة بطريقة ليست عشوائية تماماً ولا بلورية تماماً.
في السوائل المتوازنة، حيث تتحرك الجسيمات بحرية ولكنها تتفاعل، وجد الباحثون أن درجة الترابط الهندسي ظلت أقل بكثير من درجة الاصطفاف الانتقالي. ومع ذلك، مع زيادة تكدس الجسيمات معاً، بدأت الدرجة الهندسية ترتفع بشكل أسرع من الدرجة الانتقالية، لا سيما في الأنظمة ثنائية الأبعاد. يشير هذا إلى أنه مع اقتراب السائل من النقطة التي قد يتجمد عندها، تبدأ الجسيمات في تنظيم جيرانها في أشكال محددة قبل أن تنغلق في شبكة صلبة. وفي الأنظمة ثلاثية الأبعاد، كان هذا التأثير أضعف بكثير، مما يشير إلى أن المسار نحو النظام يعتمد بشدة على أبعاد الفضاء.
وعندما نظر الباحثون في حزم الإضافة المتتالية العشوائية، ظهرت صورة مختلفة. فحتى مع زيادة تكدس الجسيمات، ظلت درجة الترابط الهندسي منخفضة جداً مقارنة بالدرجة الانتقالية. والأهم من ذلك، أن المسار الذي سلكته هذه الأنظمة المنحشرة في فضاء القياس الجديد كان متميزاً عن المسار الذي سلكته السوائل المتوازنة. وهذا يعني أن مادتين يمكن أن تمتلكا نفس القدر من الترتيب الانتقالي ولكن بقدر مختلف من الترتيب الهندسي، ببساطة لأن طريقة تحضيرهما كانت مختلفة. وتظهر الدراسة أن تاريخ كيفية صنع المادة يترك علامة دائمة على توقيعها البنيوي.
وفي الأنظمة "المتخفية" الخاصة، والمصممة لتكون عالية الانتظام (hyperuniform) — أي أنها تثبط تقلبات الكثافة واسعة النطاق بطريقة فريدة — لاحظ الباحثون اتجاهاً مشابهاً. فبينما يتم ضبط الأنظمة لتصبح أكثر نظاماً، زادت الدرجة الهندسية بالنسبة للدرجة الانتقالية، لكنها ظلت تابعة لها حتى وصل النظام إلى عتبة حرجة حيث ينتقل إلى حالة مرتبة تماماً. وطوال جميع عمليات المحاكاة، كان المقياسان مرتبطين إيجابياً، مما يعني أنه كلما زاد أحدهما، زاد الآخر أيضاً. ومع ذلك، تباينت النسبة بينهما بشكل كبير اعتماداً على نوع المادة وطريقة تحضيرها.
تشير النتائج إلى أن هذين المقياسين يمكن أن يعملان كنظام إحداثيات قوي لرسم خرائط التحولات المعقدة للمادة. ومن خلال رسم موقع المادة على رسم بياني محدد بهاتان الدرجتان، يمكن للعلماء التمييز بين أطوار المادة المختلفة التي قد تبدو متشابهة تحت التحليل التقليدي. على سبيل المثال، يمكن للمقاييس أن تساعد في تحديد متى يبدأ السائل في تطوير النظام الهندسي المحلي الذي يسبق التبلور، أو متى تكون المادة المنحشرة عالقة في حالة غير منظمة. ويقترح الباحثون إمكانية استخدام هذا النهج لتوجيه تصميم مواد جديدة ذات خصائص بنيوية محددة، وفهم كيفية تشكل الزجاج بشكل أفضل، وتصنيف الحالات المعقدة الموجودة في الأنظمة المدفوعة وغير المتوازنة. لا تدعي هذه الدراسة حل لغز النظام في جميع المواد، لكنها توفر لغة أكثر وضوحاً واتساقاً لوصف كيفية تنظيم الجسيمات لنفسها في المساحة الواقعة بين الفوضى والمثالية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.