Звуковые волны помогли создать уникальные узоры из углеродных наночастиц

Математики и инженеры объединили усилия и смогли создать устройство, которое при помощи ультразвуковых волн способно создавать из частиц углерода в воде никогда не повторяющийся рисунок.

Материалы с квазипериодической структурой могут обладать рядом уникальных свойств. Чтобы их синтезировать, ученые создали установку, которая позволяет генерировать такие структуры при помощи ультразвука

Представьте себе шахматную доску. Вы можете взять квадрат два на два из двух черных плиток и двух белых, а затем скопировать и вставлять их до тех пор, пока не получится полная шахматная доска. Такие «периодические» структуры с повторяющимися узорами встречаются в кристаллах. Возьмем, к примеру, крупинку соли. На атомном уровне она представляет собой решетку из атомов натрия и хлора. Вы можете скопировать и вставить решетку из одной части кристалла и найти совпадение в любой другой части.

Но квазипериодическая структура обманчива. Одним из ее примеров является паттерн, называемый мозаикой Пенроуза. На первый взгляд геометрические ромбовидные плитки кажутся расположенными в правильном порядке, но получить такой узор копированием и вставкой одного элемента мозаики не получится — он не совпадет. Исследователи давно пытаются синтезировать материалы с квазипериодической внутренней структурой. Одним из шагов на пути к этому стало создание подобных узоров из углеродных частиц при помощи ультразвука.

В новой работе исследователи обнаружили, что двух пар параллельно расположенных генераторов ультразвуковых волн достаточно, чтобы расположить частицы в квазипериодической структуре. Затем авторы решили попробовать создать такие узоры при помощи четырех пар генераторов. Для этого им пришлось провести теоретические расчеты и множество экспериментов, но в конечном итоге авторы доказали, что осуществить это возможно.

Исследователи установили четыре пары ультразвуковых генераторов в вершины восьмиугольной сетки, на которую поместили углеродные наночастицы, взвешенные в воде. Контролируя частоту и интенсивность колебаний звуковых волн, ученые смогли добиться того, что частицы организовались в узор, похожий на мозаику Пенроуза. Теперь ученые планируют создать материал с такой внутренней структурой на основе полимерного соединения.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.