Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Наносекунды
От предметов к веществу
Коллективные явления
Электромагнитные колебания
Информационная емкость радиоволны
Пикосекунды
Фемтосекунды
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Наносекунды / Коллективные явления

Наносекунды: 2. Коллективные явления

Плавление — пример коллективного эффекта, возникающего\nиз-за синхронного движения многих частиц
Плавление — пример коллективного эффекта, возникающего из-за синхронного движения многих частиц. Изображение с сайта hera.physik.uni-konstanz.de

Из рассуждений на предыдущей странице можно сделать любопытный вывод: в наносекундный интервал попадают разнообразные коллективные атомные явления. Это такие процессы, в которых движений отдельных молекул синхронизуется в нечто цельное, совместное, в какое-то единое физическое явление. Вот некоторые примеры таких эффектов.

  • Кристаллизация, плавление, растворение, горение и прочие физико-химические процессы в веществе. Обратите внимание: под словом «плавление» здесь имеется в виду не таяние всего кубика льда целиком — это, конечно, очень долгий процесс, — а локальное плавление, превращение льда в воду в микроскопическом объемчике. Если в этот объемчик льда поступило лишнее тепло, молекулы стали дергаться сильнее, связи начали рваться, упорядоченное расположение молекул в кристалле нарушается, а затем и вовсе исчезает — и молекулы воды сходят со своих насиженных мест и начинают блуждать вокруг. Вот этот процесс и есть локальное плавление.

В видеоролике показано компьютерное моделирование того, как молекулы воды ведут себя в микроскопическом кристаллике льда при подведении тепла. Обратите внимание, насколько временной масштаб плавления больше периода колебания отдельных молекул! Другие примеры моделирования физико-химических процессов можно найти на страничке исследовательской группы из Иллинойсского университета

  • Образование наноразмерных объектов, предвестников будущих крупных измерений в веществе. Эти наноразмерные объекты могут быть разные: зародыш трещины в твердом теле при нагрузке, наноразмерная капелька, на которой в будущем вырастет полноценная капля дождя, мельчайший пузырек пара в перегретой жидкости, предвестник вскипания.
Ядра конденсации — зародыши будущих капелек, из которых состоят облака

Ядра конденсации — зародыши будущих капелек, из которых состоят облака. Зародыши ядер конденсации состоят из нескольких молекул и формируются за наносекунды. Изображение с сайта cmmap.org

  • Сюда же относится и формирование сложных биологически важных молекул. Например, ключевые этапы фолдинга белков — сложного процесса самостоятельной упаковки белковой молекулы в наиболее энергетически выгодное состояние — занимают наносекунды. В уже собранном, рабочем виде белки выполняют свои биологические функции, и их элементарные шаги тоже занимают наносекунды.
Белковая молекула — самый жизненный пример коллективного атомного движения

Белковая молекула — самый жизненный пример коллективного атомного движения. Изображение с сайта nature.com

  • Поведение «чужих» атомов на атомарно гладкой поверхности кристалла. Если атом попал на поверхность кристалла и не связался с ней химической связью, он не обязан лежать в каком-то определенном месте поверхности, а может прыгать из одного узла в другой. Однако при не слишком высоких температурах эти прыжки происходят намного реже, чем период теплового колебания атома туда-сюда.

Блуждание примесного атома на поверхности кристалла. При не слишком высоких температурах примесный атом совершает много рывков на одном месте, прежде чем перепрыгнуть на соседнее. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Приведенные здесь примеры служат хорошей иллюстрацией для той общей тенденции к замедлению, которую мы упоминали на страничке про тонкости оценки времен. Отдельные молекулы очень юркие, и их «родной» временной масштаб совсем иной — пико- или даже фемтосекунды. Однако для возникновения нового эффекта им требуется выполнить много таких рывков и тем самым попытаться скоординировать свои действия. И вот тогда на наносекундном масштабе из очень большого числа рывков туда-сюда может возникнуть новое, коллективное явление.

Назад: От предметов к веществу  |  Далее: Электромагнитные колебания

 

Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия