Научная статья на тему 'Волновое моделирование структуры материалов'

Волновое моделирование структуры материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
70
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ / ВОЛНОВАЯ МОДЕЛЬ
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Волновое моделирование структуры материалов»

УДК 548.1

ВОЛНОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

(e-mail: amosov-ea@rambler.ru)

В данной статье предложен волновой подход к построению структуры кристаллических и квазикристаллических материалов. Предложена волновая модель плавления кристалла.

Ключевые слова: строение материалов, волновая модель

Как известно из литературы [1], существуют две модели волны: сферическая и плоская (рисунок 1).

г.гх/

«¡г __

Рисунок 1. Сферическая и плоская модели волны

Если взять два вектора, перпендикулярных волновому фронту, как показано на рисунке 1(вектора Умова-Пойтинга), то очевидно, что в случае плоской волны угол между двумя такими векторами будет составлять 0 (или 360) градусов. В случае сферической волны это угол, вообще говоря, может изменяться в пределах от нуля до 360 градусов (исключая граничные точки).

Графически это представлено на рисунке 2.

■О

о

360

0 360

1 ноская сферическая

Рисунок 2. Возможные углы между векторами в двух типах волн

Свяжем рассматриваемые нами волновые представления со построением кристаллической решетки в твердых телах.

Как известно из литературы [2], кристалл строится путем сдвига (или трансляции) некоторой элементарной ячейки вдоль координатных осей. В плоском случае вдоль 2 осей сдвигаются такие фигуры, как параллелограмм, прямоугольник, квадрат и правильный шестиугольник.

Пример построения кристаллической решетки по принципу сдвига элементарной ячейки приведён на рисунке 3 (элементарная ячейка в виде параллелограмма сдвигается вдоль 2 осей, заполняя плоскость без пробелов).

/-V Ш-->-7,

Рисунок 3. Построение кристалла путем сдвига параллелограмма

Можно зрительно представить себе, что снизу вверх по рисунку 3 как бы распространяется волновой фронт, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Сравнение построения кристалл и плоской волны.

Аналогичным образом можно сравнить движение плоской волны с построением кристалла путем сдвига элементарной ячейки в виде квадрата и прямоугольника (рисунки 5 и 6).

..............................................-о--!........................................ -о---1........................................ -о-!-►....................... -0-

£

Рисунок 5. Построение кристалла из прямоугольников

Рисунок 6. Построение кристалла из квадратов

Таким образом, действительно, можно провести зрительную аналогию между распространением фронта плоской волны и построением кристаллической решетки по принципу сдвига элементарной ячейки в виде параллелограмма, прямоугольника и квадрата.

Аналогичным образом можно провести аналогию между распространением плоской волны построением кристаллической решетки путем сдвига шестиугольников (рисунок 7).

Отметим, что при построении плоского кристалла из прямоугольников, квадратов и шестиугольников образуются, как известно из литературы [], оси симметрии 2,4 и 6 порядка.

Твердые тела, как известно из литературы [], также могут иметь квазикристаллическую структуру. В плоском случае построения квазикристалла плоскость может быть заполнена без пробелов, например, путем сдвига и поворота двух ячеек в модели квазикристалла - мозаике Пенроуза (рисунок 8).

Рисунок 8. Мозаика Пенроуза - модель квазикристалла

Из рисунка 8 видно, что мозаика строится путем сочетания двух ромбов, которые при заполнении плоскости сдвигаются и поворачиваются относительно первоначального положения.

При таком построении в фигуре образуется хорошо заметные звездообразные фигуры, имеющие ось симметрии 5 порядка, которая невозможна в кристаллических структурах. Мозаику Пенроуза также можно построить, используя волновые представления. Как видно из рисунка 9, можно зрительно представить себе данную модель структуры как сферическую волну, разбегавшуюся от одной выделенной точки и постепенно заполняющую всю плоскость без пробелов.

Таким образом, изложенные выше соображения позволяют прийти к предположению, что кристаллическое и квазикристаллическое строение твердых тел можно связать с волновыми представлениями, причём строение кристалла можно уподобить плоской волне, а строение квазисристалла можно уподобить сферической волне.

О допустимости подобного подхода свидетельствуют и фотографии атомов кристаллов и квазикристаллов (рисунки 10 и 11).

Рисунок 9. Построение мозаики Пенроуза по принципу сферической волны

Рисунок 10. Изображение структуры квазикристалла перовскита, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопией с наложенной

сеткой [3]

Рисунок 11. Изображение структуры кристалла нитрида бора, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопией [4]

Можно также предложить модель плавления кристалла, опираясь на представления о стоячей волне. Как известно [5], при образовании стоячей волны образуется устойчивое распределение в пространстве максимумов и минимумов амплитуды колебаний.

Представим себе атомы кристалла, как некоторые идеализированные тела, лежащие на поверхности стоячей волны в точках минимумов колебаний, при этом на эти тела действует сила тяжести и сила трения (рисунок 12). Амплитуда колебаний является аналогией абсолютной температуры (то есть, пропорциональна температуре кристалла).

Рисунок 12. Стоячая волна и модель кристалла

Используя механическую аналогию, несложно предположить, что при достижении определенной амплитуды колебаний (являющейся аналогией температуры плавления кристаллов) и определенного угла наклона поверхности, тела начнут соскальзывать с наклонной поверхности волны. Следовательно, при определённой температуре в реальном кристалле начнёт изменяться взаимное расположение атомов, и весь кристалл начнёт переходить в другое состояние, что соответствует действительности (материал плавится).

Таким образом, предлагаемые выше волновые представления позволяют по-новому взглянуть на структуру кристаллических и квазикристаллических материалов, что может оказаться полезным при теоретическом анализе строения различных видов материалов.

Список использованных источников

1.Розин К.М. Практическая кристаллография. М. МИСИС, 2005. 487 с.

2.Векилов Ю.Х. и др. Квазикристаллы // УФН. 2010. Т. 180. С.561-586.

3.Widdra W., et al. Quasicrystalline structure formation in a classical crystalline thin-film system // Nature. 2013. V. 464. P. 215-218.

4. Ondrej L. Krivanek, et al. Atom-by-atom structural and chemical analysis by annular dark-field electron microscopy // Nature. 2010. V. 464. P. 571-574.

5.Дубнищев Ю.Н. Колебания и волны. М.: Лань, 2011. 384 с.

Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor

Samara state technical university, Samara, Russia WAVE MODELING OF MATERIAL STRUCTURE

Abstract. This article describes a wave approach to the construction of the structure of crystalline and quasicrystalline materials. A wave model of crystal melting is proposed.

Keywords: wave model, structure of materials

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.