Ett 50 år gammalt pussel inom statistisk mekanik har lösts av ett internationellt team av forskare som har bevisat att tvådimensionella (2-D) vätskor har fundamentalt annorlunda dynamiska egenskaper än tredimensionella (3-D) vätskor.

Forskare använder rutinmässigt 2D-experiment och simuleringar för att representera 3D-vätskor, helt enkelt för att studier i 2D är lättare att göra.

Med dessa studier, fysiker syftar till att rationalisera välbekanta makroskopiska vätskeegenskaper, som viskositeten, när det gäller partiklarnas mikroskopiska rörelse, som i 2-D direkt kan visualiseras.

Teamet som leds av docent Massimo Pica Ciamarra vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) försökte förstå den "termiska rörelsen" av atomer i 2D- och 3D-vätskor.

Med hjälp av en blandning av penna-och-papper-beräkningar och numeriska simuleringar, de förutspådde att atomer i 2D-vätskor kan färdas långa sträckor innan de effektivt "glömmer" sina initiala positioner. Detta beteende ger upphov till en subtil kollektiv rörelse av atomerna, av ett slag som tidigare bara hade trotts förekomma i fasta ämnen.

För att bekräfta deras teoretiska fynd, forskarna utförde experiment som spårade kolloidala partiklars rörelser under ett mikroskop. I vanliga tredimensionella vätskor, sådana partiklar utför en typ av slumpmässig rörelse som kallas Brownsk rörelse.

Men i tvådimensionella vätskor, teamet kunde visa att den Brownska motionen överlagras på storskaliga kollektiva motioner. Denna kollektiva rörelse antogs tidigare endast förekomma i 2-D fasta ämnen, som förutspåddes på 1960-talet av Mermin och Wagner.

Beviset på den grundläggande skillnaden mellan 2-D och 3-D vätskor erhölls av forskare vid NTU Singapore, Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research i Indien, University of Science and Technology i Kina, och University of California (Los Angeles) i USA. Deras arbete publicerades i november i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Vår upptäckt visar att tvådimensionella vätskor och tredimensionella vätskor inte bara är varianter av varandra, men fundamentalt olika typer av materia, " sa professor Pica Ciamarra.

"Våra fynd hjälper till att förklara många förbryllande skillnader mellan de dynamiska egenskaperna hos två- och tredimensionella vätskor, som hade rapporterats i den vetenskapliga litteraturen, ", sa Assoc Prof Pica Ciamarra. "Det är bara i 2-D, inte i 3D eller högre dimensioner, att relaxationstiden inte är omvänt proportionell mot partiklarnas diffusivitet."

"För att extrahera relevant information om dynamiken hos 3-D-vätskor från 2-D-undersökningarna", tillade Dr. Y.-W. Li, medförfattare till denna studie, "Forskare måste utveckla ett sätt att selektivt filtrera bort effekten av de observerade kollektiva partikeloscillationerna."