Terug in 1887 het die Skotse fisikus William Thomson sy geometriese model van die struktuur van die eter voorgestel, wat vermoedelik 'n alles-deurdringende medium was, waarvan die vibrasies vir ons voorkom as elektromagnetiese golwe, insluitend lig. Ten spyte van die algehele mislukking van die eter-teorie, het die meetkundige model bly voortbestaan, en in 1993 het Denis Ware en Robert Phelan 'n meer gevorderde model voorgestel van 'n struktuur wat ruimte so veel as moontlik kan vul. Sedertdien het hierdie model meestal wiskundiges of kunstenaars geïnteresseerd, maar 'n onlangse studie dui daarop dat dit die basis kan wees vir toekomstige tegnologieë wat lig in plaas van elektrisiteit gebruik. Wat is Weir-Phelan Foam, hoekom is dit ongewoon, en hoe kan dit gebruik word om lig vas te vang? Ons sal antwoorde op hierdie en ander vrae vind in die verslag van die navorsingsgroep. Gaan.
Navorsingsbasis
Letterlik honderd jaar gelede was daar in die wetenskaplike gemeenskap 'n baie eienaardige teorie oor een of ander saak van alles rondom. Hierdie teorie was daarop gemik om die aard van elektromagnetiese golwe te verduidelik. Daar is geglo dat die eter alles omring en die bron van hierdie golwe is. Die wetenskaplike ontdekkings wat op die eter-teorie gevolg het, het dit heeltemal vernietig.
William Thomson
In 1887, toe die eter-teorie vol sterkte en gewildheid was, het baie wetenskaplikes egter hul idees uitgespreek oor hoe presies die eter alle ruimte kon vul. William Thomson, ook bekend as Lord Kelvin, was geen uitsondering nie. Hy was op soek na 'n struktuur wat ideaal die spasie sou vul sodat daar geen leë areas was nie. Hierdie soektogte is later die "Kelvin-probleem" genoem.
'n Primitiewe voorbeeld: stel jou 'n boks voor wat blikkies kola bevat. Tussen hulle, as gevolg van die silindriese vorm, is daar leemtes, d.w.s. ongebruikte spasie.
Thomson het, benewens dat hy glo dat die Aarde nie meer as 40 miljoen jaar oud is nie, 'n nuwe meetkundige struktuur voorgestel, wat deur Denis Ware en Robert Phelan verbeter is, as gevolg waarvan dit na hulle vernoem is.
In die hart van die Weir-Phelan-struktuur is heuningkoeke wat ruimte vul met nie-kruisende veelvlakke, wat geen leë spasie laat nie. Die heuningkoeke waaraan ons gewoonlik as seshoeke dink danksy die heuningkoek kom eintlik in 'n verskeidenheid vorms voor. Daar is kubieke, oktaëdriese, tetraëdrale, rhombododecahedrale, ens.
Weir-Phelan struktuur
Weir-Phelan-heuningkoeke is ongewoon deurdat hulle uit verskillende geometriese vorms-elemente bestaan. In sy kern is dit 'n ideale skuim van borrels van dieselfde grootte.
Die voorouer van hierdie skuim was die een wat deur Lord Kelvin voorgestel is, wat reeds aan ons bekend is. Sy weergawe het egter uit verkorte kubieke heuningkoeke bestaan. Die Kelvin-struktuur was 'n konvekse eenvormige heuningkoek wat gevorm is deur 'n afgeknotte oktaëder, wat 'n ruimtevullende vierkantige veelvlak (tetradekaëder) is, met 6 vierkantige vlakke en 8 seskantige vlakke.
Hierdie opsie vir maksimum ruimtevul is vir byna honderd jaar as ideaal beskou, totdat Ware en Phelan in 1993 hul struktuur geopen het.
Pentagondodekaëder en tetraëder
Die belangrikste verskil van die Weir-Phelan-heuningkoek van sy voorganger is die gebruik van twee soorte samestellende elemente, wat nietemin dieselfde volume het: 'n pentagondodekaëder ('n dodekaëder met tetraëdriese simmetrie) en 'n tetraëder met rotasiesimmetrie.
In die werk wat ons vandag oorweeg, het wetenskaplikes van Princeton Universiteit besluit om Weir-Phelan-skuim in fotonika te gebruik. Eerstens was dit nodig om uit te vind of so 'n skuim fotoniese bandgapings (PBG) het, wat die voortplanting van lig in alle rigtings en vir alle polarisasies in 'n wye frekwensiegebied blokkeer.
In hul studie het die wetenskaplikes getoon dat die Weir-Phelan-skuim-gebaseerde 16,9D-fotoniese netwerk gelei het tot beduidende PBG (XNUMX%) met 'n hoë graad van isotropie*, wat 'n belangrike eienskap vir fotoniese stroombane is.
Isotropie* - dieselfde fisiese eienskappe in alle rigtings.
Kelvin-skuim en C15-skuim het ook goed gevaar in PBG, maar was minderwaardig aan die Weir-Phelan-struktuur in hierdie maatstaf.
Voorheen is soortgelyke studies reeds uitgevoer, maar daarin is aandag gegee aan tweedimensionele droë skuim. Toe is gevind dat tweedimensionele amorfe droë skuim PBG slegs vir transversale elektriese polarisasie vertoon. Die probleem is dat daar twee polarisasies in XNUMXD-skuim is.
Ten spyte van die moontlike probleme, kan driedimensionele skuim veilig beskou word as 'n belowende materiaal op die gebied van fotonika, volgens die navorsers. Daar is 'n rede hiervoor: Plato se wette verseker dat rande uitsluitlik tetraëdriese hoekpunte vorm. En dit is 'n groot pluspunt vir fotoniese netwerke. 'n Treffende voorbeeld hiervan is 'n diamant met 'n PBG van 30%.
Die skuim het die tetraëdriese eienskap van die diamantroosterkoördinate, maar verskil deur geboë rande en ietwat ongelyke bindingslengtes. Dit bly net om uit te vind hoe en tot watter mate sulke verskille die fotoniese eienskappe beïnvloed.
As die ribbes van die 17D droë skuim dikker gemaak word, kan fotoniese netwerke (prente hieronder) geskep word wat uitgesproke fotoniese PBG's van tot XNUMX% vertoon, vergelykbaar met of beter as dié in tipiese voorbeelde van selfsamestellende fotoniese kristalle.
Beeld #1: Fotoniese-skuim-netwerke verkry deur die rande van die Weir-Phelan-struktuur (links), die Kelvin-struktuur (middel) en C15-skuim (regs) te verdik.
Om so 'n model in die praktyk te implementeer, moet droë skuim eers gekristalliseer word en dan met 'n diëlektriese materiaal bedek word. Natuurlik sal die PBG-prestasie van die skuim minder wees as dié van die fotoniese kristal, maar hierdie nadeel kan deur 'n aantal voordele gedek word. Eerstens kan die selfsamestelling van die skuim voorsiening maak vir die vinnige produksie van groot monsters. Tweedens kan fotoniese skuim heterostrukture, gegewe vorige studies, 'n wyer reeks toepassings hê.
Navorsingsresultate
Eerstens was dit nodig om droë skuim te bestudeer, wat gedefinieer word as plaaslike minima van die grensvlakstreek tessellasies* onderhewig aan volumebeperkings, sodat die finale meetkunde Plato se wette gehoorsaam.
Tessellasie* - splitsing van die vliegtuig in komponente wat die hele vliegtuig heeltemal bedek, sonder om gapings te laat.
Om die Weir-Phelan-, Kelvin- en C15-skuim te bou, het die wetenskaplikes begin met geweegde Voronoi-tesselasies vir onderskeidelik BCC-, A15- of C15-kristalle.
Voronoi diagram
Die parameters is so gekies dat alle skeidingselle dieselfde volume gehad het.
Netwerke wat gevorm word uit geboë skuimribbe en van reguit tesselvormige ribbes van hul voorgangers is bestudeer. Om die topologie van alle tipes skuim te evalueer is gebruik ring statistieke*.
Ring Statistiek (Ring Statistics)*Ontleding van die topologiese kenmerke van netwerkmateriale (vloeistowwe, kristallyne of amorfe stelsels) is dikwels gebaseer op grafiekteorie, met behulp van knope vir atome en bindings vir interatomiese bindings. Die afwesigheid of bestaan van 'n verband tussen twee nodusse word bepaal deur die ontleding van die funksies van die totale en gedeeltelike radiale verspreiding van die stelsel. In netwerkmateriaal word 'n reeks nodusse en skakels in serie verbind sonder oorvleueling 'n pad genoem. Volgens hierdie definisie is 'n ring bloot 'n geslote pad. As jy 'n spesifieke nodus in die netwerk noukeurig bestudeer, kan jy sien dat hierdie nodus aan verskeie ringe kan deelneem. Elkeen van hierdie ringe word gekenmerk deur sy grootte en kan geklassifiseer word op grond van die verhoudings tussen die nodusse en die skakels waaruit dit bestaan.
Die eerste manier om 'n ring te definieer is deur Shirley W. King gegee. Om die konnektiwiteit van glasagtige SiO2 te bestudeer, definieer sy 'n ring as die kortste pad tussen twee naaste bure van 'n gegewe terrein.
In die geval van die studie onder oorweging, is berekeninge gemaak van die aantal kortste ringe per hoekpunt in 'n elementêre sel.
Een sel in die Kelvin-model het 2 vierkante en 4 seshoeke per hoekpunt, terwyl TCP (tetrahedrally close-packed) skuim slegs vyfhoekige en seskantige vlakke het (gemiddelde waardes: 5.2 en 0.78 in Weir-Phelan skuim; 5.3 en 0.71 in C15 skuim) . Voronoi-tesselasies A15 en C15 is TCP-strukture met die grootste en kleinste aantal vlakke (f) per 1 sel. Dus, die Weir-Phelan-struktuur het die grootste aantal gesigte (f = 13 + 1/2), en C15 is die kleinste aantal gesigte (f = 13 + 1/3).
Nadat hulle klaar is met die teoretiese voorbereiding, het die wetenskaplikes begin om die fotoniese netwerk te modelleer gebaseer op droë skuim ribbes, d.w.s. skuim foton netwerk. Daar is gevind dat teen 'n PBG-waarde van 20%, stelselwerkverrigting gemaksimeer word, en teen 15% word die Weir-Phelan-skuim onstabiel. Om hierdie rede het wetenskaplikes nie nat skuim oorweeg nie, waar die platogrense trikuspidale afdelings het. In plaas daarvan is alle aandag gevestig op droë skuimstrukture, waar wetenskaplikes die dikte van die ribbes geleidelik kon vergroot.
Daarbenewens is elke rand die mediale as van die sferiese silinder (kapsule), waar die radius die instelling is.
Die navorsers herinner daaraan dat sulke skuimnetwerke nie letterlik skuim is nie, maar in hul verslag sal daar eenvoudigheidshalwe na hulle verwys word as "skuim" of "skuimnetwerk".
Tydens die simulasie is die parameter in ag geneem ɛ (diëlektriese kontras) is die verhouding van diëlektriese konstantes van materiale met hoë en lae isolasiewaardes. Daar word aanvaar dat die diëlektriese kontras tussen 13 en 1 is, wat algemeen in die literatuur as 'n standaard gebruik word wanneer die werkverrigting van verskeie ontwerpe van fotoniese materiale vergelyk word.
Vir elke netwerk is die radius van die rande (sferosilinders) geoptimaliseer vir die maksimum verhouding van die bandgaping en sy middel: ∆ω/ωm, waar ∆ω is die frekwensiebandwydte, en ωm is die frekwensie binne die sone.
Beeld #2: Fotonsonale struktuur van Weir-Phelan-skuim (rooi), Kelvin-skuim (blou) en C15-skuim (groen).
Die PBG-afmetings is verder gemeet en was: 7.7% vir Kelvin-skuim, 13.0% vir C15-skuim en 16.9% vir Weir-Phelan-skuim. Die vermindering van die area verhoog die afmetings van die PBG met 0.7%, 0.3 of 1.3%.
Soos dit duidelik geword het uit die ontleding, het TCP-netwerke baie groter PBG's as Kelvin-netwerke. Van die twee TCP-netwerke is dit die Weir-Phelan-skuim wat die grootste bandgapings het, wat vermoedelik te wyte is aan die kleiner verandering in skakellengte. Wetenskaplikes glo dat verskille in bindingslengtes die hoofrede kan wees waarom in hul stelsel, m.a.w. in die Weir-Phelan-skuim is PBG minder as in diamant (31.6%) of in die Laves-stelsel (28.3%).
'n Ewe belangrike aspek in fotonika is die isotropie van PBG, wat dit moontlik maak om golfleiers van arbitrêre vorm te skep. Fotoniese kwasikristalle sowel as amorfe fotoniese netwerke is meer isotropies as klassieke fotoniese kristalle.
Die bestudeerde skuim-fotonstruktuur het ook 'n hoë mate van isotropie. Hieronder is die formule vir die bepaling van die anisotropie koëffisiënt (d.w.s. die mate van verskil in die eienskappe van 'n spesifieke medium) PBG (А):
A: = (√Var[ωHDB] + Var[ωLAB]) / ωm
Daar is gevind dat C15-skuim die laagste anisotropie (1.0%) het, gevolg deur Weir-Phelan-skuim (1.2%). Daarom is hierdie strukture hoogs isotropies.
Maar die Kelvin-struktuur toon 'n anisotropie-koëffisiënt van 3.5%, wat redelik naby aan die indeks van die Laves-stelsel (3.4%) en diamant (4.2%) is. Selfs hierdie syfers is egter nie die ergste nie, want daar is ook eenvoudige kubieke stelsels met 'n anisotropie-koëffisiënt van 8.8% en seskantige diamantnetwerke met 9.7%.
In die praktyk, wanneer dit nodig is om die maksimum waarde van PBG te bereik, is dit soms nodig om sekere fisiese parameters van die struktuur te verander. In hierdie geval is hierdie parameter die radius van die sferiese silinders. Die wetenskaplikes het wiskundige berekeninge uitgevoer waarin hulle die verhouding van die fotoniese bandgaping en die breedte daarvan as 'n funksie uitgevind het ɛ. Vir elke waarde wat verkry is, is optimalisering van die radius uitgevoer om ∆ te maksimeerω/ωm.
Beeld #3: Vergelyking van ∆ω/ωm van bestudeerde skuimnetwerke (C15, Kelvin, Weir-Phelan) en ander strukture (diamant, seskantige diamant, Laves, SC - gereelde kubieke).
Weir-Phelan-skuim behou aanvaarbare PBG-afmetings van 8% tot by diëlektriese kontras ɛ≈9, en die radius is verhoog om die maksimum PBG-waarde met 15% te bereik. PBG verdwyn wanneer ɛ < 6.5. Soos verwag, het die diamantstruktuur die grootste PBG onder alle strukture wat bestudeer is.
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Die belangrikste motivering vir die uitvoering van hierdie studie, wetenskaplikes sê die begeerte om die vraag te beantwoord - kan skuim netwerke demonstreer volwaardige PBG. Die omskakeling van die rande van droë skuimstrukture in fotoniese netwerke het getoon dat hulle kan.
Op die oomblik is skuim nie 'n besonder bestudeerde struktuur nie. Natuurlik is daar studies wat goeie resultate gee in terme van amorfe netwerke, maar dit is op uiters klein voorwerpe uitgevoer. Hoe die stelsel sal optree met 'n toename in sy afmetings, bly onduidelik.
Volgens die skrywers van die studie bied hul werk baie geleenthede vir toekomstige uitvindings. Skuim is baie algemeen van aard en maklik om te vervaardig, wat hierdie struktuur baie aantreklik maak vir praktiese toepassings.
Een van die mees ambisieuse toepassings van hul navorsing wetenskaplikes noem die internet. Soos die navorsers self sê, is data-oordrag oor optiesevesel nie nuut nie, maar by die bestemming word lig steeds in elektrisiteit omgeskakel. Fotoniese bandgaping-materiale kan lig baie meer akkuraat lei as konvensionele optieseveselkabels en kan dien as optiese transistors wat berekeninge met lig uitvoer.
So ambisieus soos die planne is, is daar nog baie werk wat gedoen moet word. Nie die kompleksiteit van die uitvoer van navorsing of die kompleksiteit van die implementering van eksperimente kan egter die entoesiasme van wetenskaplikes en hul begeerte om die wêreld van tegnologie te verbeter, verslaan nie.
Dankie vir die kyk, bly nuuskierig en lekker naweek vir almal! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, , 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com