Man trodde att hur atomer ordnar sig i minsta skala följer en "trumhud" -regel, men matematiker har nu hittat en enklare lösning.

Atomarrangemang i olika material kan ge mycket information om materialets egenskaper, och vad potentialen är för att ändra vad de kan användas till.

Dock, där två material berör - vid deras gränssnitt - uppstår komplexa interaktioner som gör det svårt att förutsäga arrangemang av atomer.

Nu, i en artikel publicerad idag Naturfysik , forskare från Imperial College London och Universidad Carlos III de Madrid har kommit med en ny modell som bättre förutspår hur atomer är ordnade i förhållande till varandra.

Medförfattare professor Andrew Parry, från Institutionen för matematik vid Imperial, sade:"Det är ett helt nytt sätt att se vätske-gas-gränssnittet. Det kan också appliceras på andra typer av gränssnitt:när två olika material kommer ihop och vi vill veta hur atomerna förhåller sig till varandra, dessa idéer kan användas. "

Där gaser och vätskor möts:en komplex situation

När material är i fast tillstånd, deras atomer är arrangerade i mycket enhetliga mönster - som galler, ark och galler. Detta innebär att kännandet av en atoms position kan avslöja positionerna för alla dess närliggande atomer.

Dock, i vätskor och gaser, atomernas arrangemang kan vara mycket olika över materialets volym. Atomer kan vara "lokalt" packade närmare varandra, som leder till tätare områden, och kan förändras snabbt.

En av de mest komplexa av dessa situationer är när vätskor och gaser möts. Professor Parry sa:"Om du föreställer dig ett glas vatten, det övre ytskiktet av vatten i kontakt med luft verkar annorlunda än vattnet nedanför; den har ytspänning. När du stör ytan, till exempel genom att knacka på glaset, krusningarna ändrar mönstren för vattenatomer vid ytan. "

Över ett glas vatten, arrangemanget av atomer som skapas av krusningar är tänkt att härröra från "trumhud" -liknande beteende-ytspänningen innebär att vattnet dras spänt som en trumma och fungerar i enlighet därmed när det störs.

Genomträngande trumhud-analogin

Man trodde tidigare att denna typ av beteende också fungerade i atomskala:att på nivån för enskilda atomer, samma slags trumhudbeteende ägde rum, beställa atomerna på ett visst sätt.

Dock, stora simuleringar och beräkningar av hur atomerna beter sig i denna situation visar inte en nedskalad version av trumhudets beteende, som man kan förvänta sig.

Nu, Professor Parry och Dr Carlos Rascón från Universidad Carlos III de Madrid har hittat en rad nya lösningar på detta problem som inte förlitar sig på trumhud-analogin.

Genom att kombinera information om krusningarna som skapas när ytan störs och hur atomer samlas lokalt, duon kunde avslöja hur atomer ordnar sig i förhållande till varandra.

Kommer till den underliggande enkelheten i systemet

Professor Parry sa:"När vi ser fenomen i större skala - som temperatur, tryck och ytspänning - de kommer vanligtvis ur begrepp vi observerar i den mikroskopiska världen. Därav, i detta fall kommer trumhudets beteende från något helt annat på mikroskopisk nivå.

"Vi kan nu komma till den underliggande enkelheten i systemet utan att behöva översträcka trumhud-analogin."

Den nya teorin och uppsättningen lösningar matchade resultaten från den största simuleringen av gränssnittets beteende som någonsin genomförts mycket bättre än trumhudsmodellen.

"Goldstone Mode and Resonances in the Fluid Interfacial Region" av A.O. Parry och C. Rascón publiceras i Naturfysik .