На рисунке показан гамильтонов цикл (посещенные атомы не показаны). Кредит: Университет Бристоля
В новом исследовании физики использовали силу шахмат для разработки группы запутанных лабиринтов, которые в конечном итоге могут быть использованы для решения некоторых из самых насущных мировых проблем.
Их уникальные лабиринтные творения, вдохновленные движениями коня на шахматной доске, могут помочь решить другие известные сложные проблемы, включая упрощение промышленных процессов от улавливания углерода до производства удобрений. Исследование было принято к публикации Physical Review X и размещено на сервере препринтов arXiv.
Ведущий автор доктор Феликс Фликер, старший преподаватель физики в Университете Бристоля, сказал: «Когда мы посмотрели на формы построенных нами линий, мы заметили, что они образуют невероятно запутанные лабиринты. Размеры последующих лабиринтов растут экспоненциально — и их бесконечное количество».
В ходе конного хода шахматная фигура (которая прыгает на две клетки вперед и одну вправо) посещает каждую клетку шахматной доски только один раз, прежде чем вернуться на свою начальную клетку. Это пример «гамильтонова цикла» — цикла по карте, посещающего все точки остановки только один раз.
Физики-теоретики под руководством Бристольского университета построили бесконечное множество все более крупных гамильтоновых циклов в нерегулярных структурах, которые описывают экзотическую материю, известную как квазикристаллы.
Атомы в квазикристаллах расположены иначе, чем в кристаллах, таких как соль или кварц. В то время как атомы в кристаллах повторяются через равные интервалы, как клетки шахматной доски, атомы квазикристаллов этого не делают.
Вместо этого они делают нечто гораздо более загадочное: квазикристаллы можно математически описать как срезы кристаллов, которые существуют в шести измерениях, в отличие от трех измерений нашей привычной Вселенной.
Только три природных квазикристалла были когда-либо найдены, все в одном и том же сибирском метеорите. Первый искусственный квазикристалл был создан случайно в 1945 году в ходе испытания «Тринити», взрыва атомной бомбы, показанного в фильме «Оппенгеймер».
Гамильтоновы циклы группы посещают каждый атом на поверхности определенных квазикристаллов ровно один раз. Результирующие пути образуют уникальные сложные лабиринты, описываемые математическими объектами, называемыми «фракталами».
Эти пути обладают особым свойством, что атомно острый карандаш может рисовать прямые линии, соединяющие все соседние атомы, без подъема карандаша или пересечения линии самой себя. Это имеет применение в процессе, известном как сканирующая туннельная микроскопия, где карандаш представляет собой атомно острый кончик микроскопа, способный визуализировать отдельные атомы.
Гамильтоновы циклы формируют самые быстрые возможные маршруты для микроскопа. Это полезно, поскольку создание изображения с помощью сканирующего туннельного микроскопа последнего поколения может занять месяц.
Задача нахождения гамильтоновых циклов в общих случаях настолько сложна, что ее решение автоматически решило бы многие важные проблемы, которые еще предстоит решить в математических науках.
Доктор Фликер добавил: «Мы показываем, что некоторые квазикристаллы представляют собой особый случай, в котором проблема неожиданно проста. Таким образом, в этой ситуации мы делаем некоторые, казалось бы, неразрешимые проблемы разрешимыми. Это может включать практические цели, охватывающие различные области науки».
Например, адсорбция является ключевым промышленным процессом, в котором молекулы прилипают к поверхностям кристаллов. До сих пор для промышленной адсорбции использовались только кристаллы. Если атомы поверхности допускают гамильтонов цикл, гибкие молекулы нужного размера могут упаковываться с идеальной эффективностью, располагаясь вдоль этих атомных лабиринтов.
Результаты исследования показывают, что квазикристаллы могут быть высокоэффективными адсорберами. Одним из применений адсорбции является улавливание и хранение углерода, при котором молекулы CO2 не попадают в атмосферу.
Соавтор Шобхна Сингх, доктор философии, научный сотрудник по физике в Кардиффском университете, сказал: «Наша работа также показывает, что квазикристаллы могут быть лучше кристаллов для некоторых адсорбционных приложений. Например, гибкие молекулы найдут больше способов приземлиться на нерегулярно расположенных атомах квазикристаллов. Квазикристаллы также хрупкие, то есть они легко распадаются на мелкие зерна. Это максимизирует их площадь поверхности для адсорбции».
Эффективная адсорбция также может сделать квазикристаллы неожиданными кандидатами на роль катализаторов, которые повышают эффективность промышленности за счет снижения энергии химических реакций. Например, адсорбция является ключевым этапом в процессе катализа Габера, используемом для производства аммиачных удобрений для сельского хозяйства.
Больше информации:
Шобхна Сингх и др., Гамильтоновы циклы на мозаиках Аммана-Бинкера, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2302.01940
Предоставлено Университетом Бристоля
Цитата: Ученые создали самый невероятно сложный лабиринт в мире, который в будущем может повысить улавливание углерода (2024, 2 июля) получено 2 июля 2024 г. с сайта
Этот документ защищен авторским правом. За исключением случаев честного использования в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставляется только в информационных целях.
2024-07-02 15:27:18
1719934820
#Ученые #создали #самый #невероятно #сложный #лабиринт #мире #который #будущем #может #повысить #эффективность #улавливания #углерода
