Forskare har visat hur principerna för oseriösa vågor – enorma 30-metersvågor som uppstår oväntat i havet – kan tillämpas i nanoskala, med dussintals tillämpningar från medicin till tillverkning.
Länge ansetts vara en myt slår oseriösa vågor från jämförbart lugna omgivningar och slår sönder oljeriggar och fartyg i deras väg. Till skillnad från tsunamis bildas oseriösa vågor av en slumpmässig kombination av mindre vågor i havet, vilket skapar en händelse som är mycket sällsynt.
Det har forskats mycket på oseriösa vågor de senaste åren, men nu visar forskare för första gången hur detta kan tillämpas i mycket mindre skala – nanometriskt. En nanometer är en miljon gånger mindre än tjockleken på sidan i en bok. Detta är ett helt nytt tillvägagångssätt för vätskors beteende i nanometrisk skala, publicerad som ett brev i Physical Review Fluids .
Hålen och gupp som orsakas av oseriösa vågor kan manipuleras för att spontant producera mönster och strukturer för användning i nanotillverkning (tillverkning i en skala en miljarddels meter). Till exempel bildades mönster som spricker vätskefilmer kan användas för att bygga mikroelektroniska kretsar, som skulle kunna användas vid tillverkning av lågkostnadskomponenter i solceller. Dessutom kan beteendet hos tunna vätskeskikt hjälpa till att förklara varför miljontals människor världen över lider av torra ögon. Detta inträffar när tårfilmen som täcker ögat brister.
Genom direkta simuleringar av molekyler och nya matematiska modeller upptäckte studien ledd av University of Warwicks Mathematics Institute hur nanoskopiska lager av vätska beter sig på kontraintuitiva sätt. Medan ett utspillt lager kaffe på ett bord kan sitta till synes orörlig, skapar den kaotiska rörelsen av molekyler på nanoskala slumpmässiga vågor på en vätskas yta.
En sällsynt händelse inträffar när dessa vågor konspirerar för att skapa en stor "skurk nanovåg" som bryter igenom lagret och skapar ett hål. Den nya teorin förklarar både hur och när detta hål bildas, vilket ger ny insikt om en tidigare oförutsägbar effekt, genom att ta deras stora oceaniska kusiner som en matematisk plan.
Teamet av forskare är entusiastiska över potentialen i denna forskning inom olika branscher; applikationerna är långtgående.
Professor James Sprittles, Mathematics Institute, University of Warwick, sa:"Vi var glada över att upptäcka att matematiska modeller som ursprungligen utvecklades för kvantfysik och nyligen användes för att förutsäga oseriösa havsvågor är avgörande för att förutsäga stabiliteten hos nanoskopiska vätskeskikt." P>
"I framtiden hoppas vi att teorin kan utnyttjas för att möjliggöra en rad nanoteknologier, där det är avgörande att manipulera när och hur lager brister. Det kan också finnas tillämpningar inom relaterade områden, som emulsioners beteende, t.ex. i livsmedel eller färger. , där stabiliteten hos tunna flytande filmer dikterar deras hållbarhet."
Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Fluids .
Mer information: James E. Sprittles et al, Rogue nanowaves:A route to film rupture, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.L092001
Tillhandahålls av University of Warwick
