Questa è un'immagine delle traiettorie atomiche in un liquido bidimensionale, generato da simulazioni al computer. La maggior parte delle traiettorie sono allungate, e l'allungamento delle traiettorie ravvicinate è simile. Questa è la firma visiva dei movimenti collettivi trovati da Li et al., che dimostra una differenza fondamentale tra liquidi bidimensionali e tridimensionali. Credito:Università tecnologica di Nanyang
Un enigma di 50 anni in meccanica statistica è stato risolto da un team internazionale di ricercatori che hanno dimostrato che i liquidi bidimensionali (2-D) hanno proprietà dinamiche fondamentalmente diverse dai liquidi tridimensionali (3-D).
I ricercatori utilizzano abitualmente esperimenti e simulazioni in 2D per rappresentare liquidi in 3D, semplicemente perché gli studi in 2-D sono più facili da fare.
Con questi studi, i fisici mirano a razionalizzare le proprietà dei fluidi macroscopici familiari, come la viscosità, in termini di movimento microscopico delle particelle, che in 2-D può essere visualizzato direttamente.
Il team guidato dal Professore Associato Massimo Pica Ciamarra presso la Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) si è proposto di comprendere il "movimento termico" degli atomi nei liquidi 2-D e 3-D.
Utilizzando un mix di calcoli con carta e penna e simulazioni numeriche, hanno previsto che gli atomi nei liquidi 2-D possono viaggiare per lunghe distanze prima di "dimenticare" effettivamente le loro posizioni iniziali. Questo comportamento dà luogo a un sottile movimento collettivo degli atomi, di un tipo che in precedenza si pensava che si verificasse solo nei solidi.
Per confermare i loro risultati teorici, i ricercatori hanno eseguito esperimenti che hanno tracciato i movimenti delle particelle colloidali al microscopio. Nei normali liquidi tridimensionali, tali particelle eseguono un tipo di moto casuale noto come moto browniano.
Ma nei liquidi bidimensionali, il team è stato in grado di dimostrare che il moto browniano è sovrapposto a moti collettivi su larga scala. In precedenza si credeva che questo movimento collettivo si verificasse solo nei solidi 2-D, come previsto negli anni Sessanta da Mermin e Wagner.
La prova della differenza fondamentale tra liquidi 2-D e 3-D è stata ottenuta dai ricercatori di NTU Singapore, il Centro Jawaharlal Nehru per la ricerca scientifica avanzata in India, l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, e l'Università della California (Los Angeles) negli Stati Uniti. Il loro lavoro è stato pubblicato a novembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).
"La nostra scoperta mostra che i liquidi bidimensionali e i liquidi tridimensionali non sono solo varianti l'uno dell'altro, ma fondamentalmente diversi tipi di materia, " ha detto Assoc Prof Pica Ciamarra.
"I nostri risultati aiutano a spiegare molte differenze sconcertanti tra le proprietà dinamiche dei liquidi bidimensionali e tridimensionali, che era stato riportato nella letteratura scientifica, " ha detto Assoc Prof Pica Ciamarra. "È solo in 2-D, non in 3D o dimensioni superiori, che il tempo di rilassamento non è inversamente proporzionale alla diffusività delle particelle."
"Per estrarre informazioni rilevanti sulla dinamica dei liquidi 3-D dalle indagini 2-D" ha aggiunto il Dr. Y.-W. Li, coautore di questo studio, "i ricercatori devono sviluppare un modo per filtrare selettivamente l'effetto delle oscillazioni collettive delle particelle osservate".
