(Phys.org) - Den allestädes närvarande van der Waals interaktion - en följd av kvantladdningsfluktuationer - inkluderar intermolekylära krafter som attraktion och avstötning mellan atomer, molekyler och ytor. Den mest långväga kraften som verkar mellan partiklar, det påverkar en rad fenomen inklusive ytadhesion, friktion och kolloid stabilitet. Typiskt en enkel uppgift när parallella ytor är längre ifrån varandra än 10 nanometer, beräkna van der Waals krafter mellan, till exempel, ett par nanosfärer mindre än fem nanometer från varandra blir ganska svårt. Dessutom, den senare skalan kräver att effekten av icke -lokalitet (den direkta interaktionen mellan två objekt som är åtskilda i rymden utan någon uppfattbar mellanliggande organisation eller mekanism) ska beaktas, införa komplexitet i, och därmed ytterligare hämmar, analys.

Nyligen, dock, forskare vid Imperial College London, London föreslog en enkel analytisk lösning, visar - för första gången, säger forskarna - att icke -lokalitet i 3D -plasmoniska system kan analyseras exakt med hjälp av transformationsoptik. ( Plasmoner är kvasipartiklar som härrör från kvantiseringen av plasmasvängningar vid optiska frekvenser; genom att arrangera elektromagnetiska fält på ett specifikt sätt, transformationsoptik bestämmer i vilken riktning elektromagnetisk strålning kommer att sprida sig.) Forskarna föreslår också att deras resultat ökar den underliggande förståelsen för icke -lokala effekter i plasmoniska nanostrukturer.

Professor Sir John Pendry diskuterade tidningen att han, Dr Yu Luo och Dr Rongkuo Zhao publicerade i Förfaranden från National Academy of Sciences . "Nonlocality introducerar beräkningskomplexitet som gör det svårt att göra beräkningarna, "Berättar Pendry Phys.org . "Vi har hittat en lösning som avsevärt förenklar beräkningarna genom att ersätta det icke -lokala systemet med ett lokalt system som återger resultaten med hög noggrannhet." Specifikt, forskarna visade att icke -lokalitet i 3D -plasmoniska system kan analyseras exakt med hjälp av transformationsoptikmetoden - första gången som tekniken har tillämpats på van der Waals krafter - som de använde för att lösa problemet med att inkludera icke -lokala effekter när två nanoskala kroppar interagerar .

"Nyckeln till att framgångsrikt utnyttja transformationsoptik, "Pendry påpekar, "är att välja rätt transformation. I vårt fall kunde vi förvandla problemet med två nästan vidrörande sfärer till det mycket mer symmetriska problemet med två koncentriska sfärer." Därvid, forskarna var tvungna att ta itu med två utmaningar:

· Problemet innebar flera längdskalor, vilket betyder att de måste ta hänsyn till sfärerna själva (~ 10 nm) samt avståndet mellan dem, som de försökte skjuta till gränsen för ett atomavstånd (~ 0,2 nm)

· Det faktum att krafterna är beroende av bidrag från många olika frekvenser över ett intervall på nästan 100 eV

Pendry konstaterar att forskare först nu börjar utforska konsekvenserna av icke -lokalitet i ytfenomen i nanoskala, och håller på att bygga pålitliga modeller. "De nanoskala krafterna i vårt papper är bara ett exempel på där det är viktigt att behandla icke -lokalitet, där huvudkomplikationen är att ett systems svar vid en given punkt inte bara beror på de elektromagnetiska fälten vid den punkten, men även på fälten i den omgivande regionen - ett problem som många traditionella metoder inte löser. "

I deras papper, forskarna fann att icke -lokalitet dramatiskt försvagar fältförbättringen mellan sfärerna, och därmed van der Waals interaktion. "Van der Waals krafter - även om de är långa i förhållande till standard kemiska bindningar - är bara signifikanta när ytor är ganska nära varandra, "Pendry förklarar." Lokal standardteori förutsäger oändlig kraft i gränsen som ytor berör - men det är naturligtvis nonsens. Därför, förutsägelser som är vettiga och kan jämföras med experiment måste ta hänsyn till icke -lokalitet. "

Relaterat tidningen säger att kemisk bindning - även om det inte är ett uttryckligt bekymmer i denna studie - kommer att dominera det slutgiltiga tillvägagångssättet precis innan ytorna rör vid några tiondelar av en nanometer, vid vilken tidpunkt kommer direktkontakt av avgifterna att spela in genom elektrontunnel. "De krafter vi betraktar är komplementära till kemisk bindning, "Pendry förtydligar, "genom att det nuvarande teoretiska tillvägagångssättet för kemiska bindningar utnyttjar approximationen av lokal densitet. Med andra ord, precis som en studie av rena van der Waals krafter utelämnar kemisk bindning, så en ren lokal densitetsstudie av bindningar har ingenting att säga om de längre spridningskrafterna som vi beräknar. Självklart, vid något tillfälle måste de två komma ihop ... men för att det ska hända behöver vi experimentell input - och teoretiska studier av van der Waals styrkor är de första stegen för att få detta att hända. "

Tillvägagångssättet som beskrivs i artikeln gör analytiska undersökningar av icke -lokala 3D -problem möjliga samtidigt som de ger insikt i förståelsen av icke -lokala effekter i plasmoniska nanostrukturer. "Beräkningar är alltid svåra vid behandling av singulära strukturer-med vilka vi menar situationer som de nästan vidrörande sfärerna som behandlas i vårt papper-men också interaktionen mellan nålskarpa punkter och ytor, "Pendry förklarar." Genom att använda transformationer för att avveckla singulariteten avslöjar hur krafterna fungerar i var och en av dessa situationer, och faktiskt gör det möjligt för oss att visa ett gemensamt ursprung. "Till exempel, om hur deras resultat kan påverka utvecklingen av funktionella subnanometersubstrat, han tillägger att "alla nanomekaniska system måste överväga effekterna av van der Waals krafter - och vårt papper är ett försök att öka vår förståelse av dessa problem."

Blickar framåt, Pendry berättar Phys.org att van der Waals styrkor är bara det första steget i en rad undersökningar forskarna redan har planerat. "På den nära horisonten finns värmeöverföring mellan ytor som är nära men inte i fysisk kontakt:Elektromagnetiska fluktuationer som är ansvariga för van der Waals -kraften gör också att värmen kan hoppa över gapet - en effekt som skiljer sig från, och mycket starkare än, strålningskylning. "(Strålningskylning är den process genom vilken en kropp tappar värme genom termisk strålning.)" På längre sikt, vi ska försöka generalisera vår teori om kvantfriktion, varigenom ytor som är nära men inte i fysisk kontakt kan uppleva friktionsmotstånd. Icke -lokalitet är också en viktig fråga i effekterna. "

Avslutningsvis Pendry noterar att flera andra forskningsområden kan ha nytta av deras studie, med tanke på att transformationsoptik är en mycket allmän teknik inom elektromagnetisk teori. "Föreliggande studie är bara en i en hel serie applikationer. Vi har redan sett många studier av dess tillämpning på osynlighet, och vi har använt det i stor utsträckning för att studera intensiva fältförbättringar i plasmoniska strukturer, såsom ytförstärkt Raman -spektroskopi. Faktiskt, praktiskt taget alla problem som har elektromagnetisk strålning som interagerar med en fysisk struktur kan potentiellt ha nytta av transformationsoptik - och för plasmoniska system, icke -lokalitet kommer alltid att vara en viktig fråga närhelst ytan i närheten beaktas. "

© 2015 Phys.org