Отдельные частицы в потоке воды или электролита «помнят» о своем прошлом

Исследователи Оксфордского университета использовали новую технику для измерения движения заряженных частиц в потоке. Это позволило зарегистрировать неожиданный эффект: оказалось, что частицы в потоке обладают памятью. То есть, их движение зависит от истории их прошлых состояний. Это открытие позволит по-другому описать процесс переноса во многих устройствах, в первую очередь в аккумуляторах.

Память отдельных частиц в потоке сильно осложняет описание самого потока на макроуровне, она как бы придает течению некоторую вязкость. Но теперь поток можно описать по-настоящему точно.

Будь то зарядка аккумулятора или льющаяся воды, поток материи — один из самых фундаментальных процессов во Вселенной. Но удивительно многое остается неизвестным относительно того, как этот процесс протекает на атомном уровне. Понимание этого могло бы помочь нам решить широкий спектр проблем, включая разработку материалов, необходимых для технологий завтрашнего дня.

В новом исследовании группа ученых из Департамента материалов Оксфорда и Национальной лаборатории Стэнфордского линейного ускорителя в Калифорнии показала, что на движение отдельных ионов в потоке может влиять недавнее прошлое; другими словами, у потока существует «эффект памяти». Это означает, что в микроскопическом масштабе история имеет значение: то, что частица сделала мгновение назад, может повлиять на то, что она сделает дальше.

До сих пор наблюдать это было сложно, поскольку такой эффект практически незаметен. Чтобы проверить, имеет ли движение ионов память, нужно возмутить систему, а затем наблюдать, как возмущение затихает.

Соавтор профессор Сайфул Ислам (факультет материалов Оксфордского университета) говорит: «Если использовать аналогию, это похоже на бросание камня в тихий пруд, чтобы посмотреть, как далеко распространяются волны. Вот и для наблюдения за потоком атомов тоже нужен "камень". В нашем исследовании это — импульс света. Используя свет, мы зафиксировали движение ионов в самом малом масштабе времени, который сегодня доступен, чтобы увидеть связь между индивидуальным движением атома и макроскопическим потоком».

Исследование ионного транспорта в β-алюминатах.
Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06827-6

Ученые использовали батарею в качестве модельной системы для исследования потока ионов на микроскопическом уровне. Когда батарея заряжается, приложенная сила физически перемещает множество ионов от одного электрода к другому. Множество случайных движений отдельных ионов в совокупности образуют общее движение, подобное потоку жидкости. Но было неизвестно, влияют ли на этот общий поток эффекты памяти, действующие на отдельные ионы. Например, отскакивают ли ионы назад после прыжков размером с атом, или они текут плавно и хаотично?

Чтобы уловить это эффект, команда использовала метод, так называемой спектроскопии накачки-зонда, используя быстрые и интенсивные импульсы света для запуска и измерения движения ионов.

Ведущий автор работы доктор Андрей Полетаев (Департамент материалов Оксфордского университета) говорит: «Мы обнаружили, что вскоре после начала движения ионов, которое мы вызвали, ионы действительно отскакивают: если мы их толкнем влево, они вдруг возвращаются вправо. Это похоже на вязкое вещество, оно как бы дергается, а затем медленно растекается — как мед. Это означает, что какое-то время после того, как мы подтолкнули ионы светом, мы знаем, что они будут делать дальше».

Сила и вязкость потока
Unsplash

Исследователи смогли наблюдать такой эффект в течение очень короткого времени, — нескольких триллионных долей секунды, но ученые ожидают, что эффект будет увеличиваться по мере улучшения чувствительности метода измерения. Последующие исследования будут направлены на использование этого нового понимания частиц в потоке для более быстрого и точного прогнозирования того, насколько хорошо материалы могут переносить заряд в батареях, и для разработки новых видов быстрых нейроморфных процессоров.

Полученные результаты имеют значение для всех технологий, в которых атомы текут или движутся, как в твердых телах, так и в жидкостях, например, таких как опреснение воды и многих других.