Навчально-методична робота на кафедрі прикладної фізики фізичного факультету УжНУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

3.1 Загальні поняття самоорганізованих структур

Самоорганізація речовини - це один із найдивовижніших і в якомусь сенсі загадкових ефектів, з якими ми стикаємося при дослідженні конденсованих середовищ - рідин і твердих тіл. Вивчення цих явищ в сутності тільки починається, і виявляється, що подібні спостереження ставлять під сумнів наші основоположні уявлення, може бути, наукові штампи, але тим самим відкриваються нові шляхи осмислення процесів, що відбуваються в природі, шляхи, які лягли в основу нового наукового напряму - фізики відкритих систем.

Що ж являють собою просторово-організовані структури? Візьмемо для початку приклад з чудової книги І. Пригожина та І. Стенгерс "Порядок з хаосу" [1]. Припустимо, ми розглядаємо прозору коробку з кульками, забарвленими в чорний і білий кольори. З деякої відстані маса кульок буде здаватися сірою. Раптово (а фактично в результаті впливу, що приходить ззовні) вся маса кульок стане білою, потім через певний проміжок часу - чорною, потім знову білою. Це прообраз так званих хімічних годин. Але найдивовижніше, що такий хімічний годинник спостерігалися в експерименті! У 1951 році Б.П. Бєлоусов досліджував процес окислення органічної кислоти броматом калію в присутності деяких каталізаторів. Сам процес досить складний (близько тридцяти проміжних сполук), однак тут можна виділити два стани, при яких розчин має або червоний, або синій колір. Концентрацію речовин, підводяться до посудини (реактору), можна було регулювати. Белоусову вдалося спостерігати дивні явища: при певному значенні припливу реагентів ззовні починалися періодичні коливання червоне-синє-червоне (хімічні годинник). при інших зовнішніх умовах в реакторі відбувалася просторова самоорганізація - рідина в посудині складалася з почергових червоних і синіх смуг. нарешті, опинялася можливою і третя форма самоорганізації - просторово-часова; по посудині прокочувалися то червоні, то сині хвилі. спостережувані факти здавалися настільки дивовижними, настільки суперечили здоровому глузду, що Бєлоусов протягом декількох років не міг опублікувати результати свого дивного експерименту. Пізніше він все-таки зумів продовжити дослідження спільно з А.М. Жаботинським; в даний час ці результати є класикою фізики відкритих систем.

Розглянемо ще один знаменитий досвід - мова йде про так звану нестійкості Бенара, або осередках Бенара. Для експерименту необхідно взяти горизонтальний шар якої-небудь рідини (наприклад, олії) і створити вертикальний градієнт температур (легко зміркувати, що така схема вийде, якщо підігрівати знизу сковороду). При цьому встановиться деякий потік тепла, що йде знизу вгору. Будемо змінювати градієнт температур (температуру дна). коли він досягне деякого критичного значення, то однорідна структура рідини раптово зміниться, і ми будемо спостерігати складну просторово-організовану систему, що складається з осередків у формі правильних шестикутників. Така структура зображена на рис. 1, а. При досягненні порогового значення градієнта температури перенос тепла вже не забезпечуюють тільки теплопровідністю, тобто хаотичним рухом молекул рідини, і виникає їх конвективний рух. На рис. 1, б, де осередки Бенара збільшені в 25 разів, можна побачити, що в центрі комірки рідина піднімається вгору, а по краях рухається вниз.

Що спільного в цих двох явищах, одне з яких відноситься до хімічних реакцій, друге - до гідравліки? По-перше, в обох випадках ми маємо справу з відкритими системами, тобто з системами, що піддаються притоку енергії або речовини ззовні, через границі системи. По-друге, щоб система перейшла в особливий режим, при якому утворюються просторово-організовані структури, необхідно, щоб зовнішній вплив досягло деякого критичного значення. У разі структур Білоусова-Жаботинського це певне значення концентраційного потоку реагентів, в разі осередків Бенара - градієнта температур. За цим порогом структури виникають "Раптом" з хаосу, з однорідного речовини. Спільним їх властивістю є чудова самоорганізованість мікрооб'єктів системи. Молекули рідини як би відчувають лікоть сусіда, хоча при менших значеннях зовнішнього впливу вони ніби не помічали один одного і діяли індивідуально. Така поведінка називається когерентним і вимагає специфічних динамічних зв'язків усередині системи. Нарешті, необхідно, щоб зміни стану системи описувалися нелінійними диференціальними рівняннями. Отже, самоорганізовані структури виникають в відкритих системах, тобто системах, що піддаються впливу ззовні припливу речовини або енергії

Рис. 1. а - осередки Бенара, що виникають у раніше однорідної рідини при закритичному значенні температурного градієнта (різниці температур між низом і верхом судини); б - збільшена в 25 разів картина нестійкості Бенара в рідини. У центрі кожної комірки рідина піднімається вгору, на краях опускається

через кордони системи, проте це є обов'язковим, але недостатньою умовою. Вплив ззовні має бути сильним, за критичний, при цьому ми переходимо в особливу, нелінійну область, яку називають по термінології Пригожина областю, віддаленої від рівноваги. Хочеться звернути увагу на широку поширеність просторово-організованих структур в навколишньому нас природі, наприклад в забарвленні рослин, комах, тварин. Згадайте зебру, яку всі бачили в зоопарку. Забарвлення її не рівномірне, а являє собою правильне чергування чорних і білих смуг. Як вже говорилося, вивчення явищ самоорганізації відносять до наукового напряму, який зараз найчастіше називають фізикою відкритих систем або нерівноважної термодинаміки. Основні ідеї цій області наукового знання, еволюція від термодинаміки замкнутих систем до лінійної нерівноважної термодинаміці (де зовнішній вплив відносно мало) і далі до сильно нерівновагим системам викладені в двох статтях професора А.І. Осипова "Термодинаміка вчора, сьогодні, завтра", поміщених в "Соросовском Освітньому Журналі" [7]. Процес самоорганізації є перехід від безладного руху, хаотичного стану через наростання флуктуацій до нового порядку. Це не статичний порядок рівноваги, а динамічний стан, що підтримується припливом ззовні, через кордону системи. Як вже говорилося, найважливішим відзнакою самоорганізованих структур від статичного порядку є властиві їм колективні ефекти. Щоб підкреслити роль кооперативних дій, один із засновників фізики відкритих систем, Герман Хакен, ввів термін "синергетика", що означає спільну дію. І. Пригожину належить термін, що стосується спонтанно самоорганізуються станів, - "дисипативні структури". Цим він підкреслює значення дисипації (розсіювання енергії) в виникненні нового режиму при переході через критичну точку. Флуктуації збільшуються і перестають бути малими поправками до середніх значень. Раніше локалізовані в малій частині системи, вони поширюються на всю систему. Величина їх наростає, амплітуди флуктуацій мають такий же порядок величини, як самі макроскопічні значення, відмінність між флуктуаціями і середніми значеннями стирається. Відгуки локальних змін розносяться по всій системі, з'являються далекодійні кореляції, відгук системи на зовнішній вплив стає колективним. Утворений динамічний порядок виростає з хаосу.

Незважаючи на величезну поширеність самоорганізуються, їх вивчення тільки починається і, можливо, є найзагадковішим явищем, найпотаємнішої таємницею природи. Адже як писав в своїй книзі знаменитий фізик Е. Шредінгер, сама життя є процес створення порядку з хаосу. Дивна здатність живого організму затримувати перехід до термодинамічної рівноваги - смерті. Організм як відкрита система підтримує своє існування завдяки можливості перетворювати енергію більш хаотичного руху в упорядковане, і саме його здатність пити впорядкованість з навколишнього середовища дозволяє уникати переходу до атомному хаосу.

3.2 Самоорганізовані структури в твердому тілі

Дослідження твердого тіла займає особливе місце в фізиці, бо це наука про будову матерії живої і неживої природи, наука про матеріали оточуючого нас технічного світу. Увага до самоорганізованим станам в твердому тілі залучено не так давно, хоча деякі дослідження показують, що такі структури, можливо, представляють не тільки науковий, але і першорядний практичний інтерес, оскільки відкривають шляхи створення матеріалів з принципово новими властивостями.

При сильному впливі на тверде тіло часто спостерігається складне переплетення процесів збудження і релаксації, крім того, іноді одна частина системи може піддаватися впливу з боку інший. Проте, мабуть, і тут діють закономірності, загальні для нерівноважної термодинаміки. Найбільш простими випадками, при якому формуються сильно нерівноважні стани твердого тіла, є процеси, що відбуваються при взаємодії випромінювання з речовиною. У деяких новітніх технологіях, у тому числі в атомній техніці або при радіаційному модиікуванні матеріалів (в І тут поверхню матеріалів обробляють пучками електронів або іонів), речовина знаходиться в радіаційному полі. Очевидно, що у всіх цих випадках ми маємо справу з відкритою системою, яка піддається притоку енергії ззовні. Крім того, часто виявляється, що мається і приплив речовини (наприклад, при опроміненні матеріалів в прискорювачі ми вводимо - імплантуючи - чужі іони). При розгляді подібних експериментів виникає одне важливе питання. Справа в тому, що слабо нерівноважна система (підкоряється лінійної нерівноважної термодинаміки) по своїй поведінці майже не відрізняється від замкнутої рівноважної - замкнута система еволюціонує до стану рівноваги, слабо нерівноважна система - до деякого стаціонарного стану.

В яких випадках, за яких впливах опромінюється тверде тіло перейде від режиму слабо нерівноважного до режиму сильно нерівноважному, тобто в яких випадках ми можемо вважати обурення малим? Це питання на даний час не досліджений, і ми можемо судити про це лише за поведінкою системи. Що ж відбувається при взаємодії випромінювання з твердим тілом? Нагадаємо, що в більшості твердих тіл атоми (або іони) складають так звану кристалічну решітку - тривимірну періодичну структуру. Самі атоми розташовані в її вузлах, але досить щільно, так що по деяких напрямах вони стосуються, а міжатомні проміжки малі - не більше 0,4 розміру атома. Крім кристалів бувають також аморфні матеріали, в яких немає тривимірної періодичності, однак атоми упаковані так само щільно.

При опроміненні швидка частинка (наприклад, іон) стикається з атомом речовини, вибиває його з вузла в міжвузловий проміжок. При цьому вузол решітки залишається порожнім, і утворюються відразу два дефекту: вакансія і міжвузловий атом (така пара дефектів називається парою Френкеля). Якщо частка важка, тобто не електрон, а істотно перевершують її по масі нейтрон або іон, і якщо енергія частки досить велика, то, вибивши з вузла один атом (і втративши при цьому частину енергії), вона може продовжувати співудару, поки її енергія не вичерпається. В свою чергу, вибитий з вузла атом теж може володіти енергією, достатньою для того, щоб виробляти дефекти. В результаті утворюється каскад, в якому може бути кількасот дефектів: вакансій і міжвузлових атомів. Тепер розглянемо, як змінюється стан випроміненого твердого тіла в часі. Джерело опромінення (це може бути атомний реактор, в якому утворюються нейтрони, або прискорювач, електронний або іонний) безперервно генерує дефекти в твердому тілі. Одночасно в речовині йдуть процеси, при яких ці дефекти знищуються. По-перше, це процес анігіляції, коли два різнойменних дефекту - вакансія і міжвузловий атом - зустрічаються і взаємно знищують один одного. По-друге, дефект може "загинути на стоках". так трапиться, якщо він підійде до зовнішньої поверхні або внутрішнім стокам - дефектам іншого типу (протяжним), опис яких виходить за межі

цієї статті. Концентрація дефектів в випроміненомутвердому тілі змінюватиметься згідно рівняння

де dC / dt - швидкість зміни концентрації дефектів, K - швидкість створення дефектів, що задається опромінювати пристроєм (реактором або прискорювачем). Другий член рівняння пов'язаний з анігіляцією дефектів, він залежить від вірогідності зустрічі вакансії (їх концентрація Cv) і міжвузловий атома (концентрація Ci), а в коефіцієнт входить коефіцієнт дифузії (швидкість переміщення дефектів), який сам залежить від концентрації дефектів. Третій член рівняння пов'язаний із загибеллю дефектів на стоках, тут N - число стоків, S - потужність стоку, здатність його поглинати дефекти. Отже, в обсязі випроміненої речовини в результаті зовнішнього впливу на систему неперервної створюються дефекти, однак внаслідок відбуваються в твердому тілі процесів вони безперервно зникають, в результаті балансу цих процесів підтримується деяка стаціонарна концентрація дефектів. легко бачити, що ми маємо справу з типовою слабо нерівноважної системою, яка поводиться подібно замкнутої рівноважної системі, однак еволюціонує чи не до стану рівноваги, а до стаціонарного стану з деякою концентрацією дефектів в об'ємі. На мікроскопічному рівні відбуваються парні зіткнення, не пов'язані один з одним, поки дефектів не занадто багато. Дефекти розподілені за обсягом приблизно рівномірно, якщо не враховувати області каскадів, які грають роль флуктуацій концентрації дефектів. В деякій області радіаційних параметрів ці флуктуації локальні і поки не заволоділи всією системою. Проте експериментально отримані стану, де картина радіаційних ушкоджень істотно відрізняється від описаної, - спостерігаються просторово-організовані структури, що, очевидно, відповідає режиму сильно нерівноважних станів.

Наведемо приклади подібних станів. Деякі металеві сплави опромінювались іонами аргону з енергією 20 кеВ (Ar +) до великих доз і при досить великої інтенсивності потоку. Виявилося, що структура опроміненої поверхні при цьому різко змінилася. На рис. 2, а показана мікроструктура сплаву Fe-Cr після опромінення зі збільшенням в 1000 раз. До опромінення поверхню сплаву була гладкою і однорідною, після опромінення видна упорядкована структура, що складається з двох систем смуг. Природа смуг, що нагадують ланцюга з пересічних ланок, поки не досліджена. Вельми цікаві результати отримані при вивченні того ж сплаву за допомогою електронного мікроскопа. На рис. 2, б показана структура зі збільшенням вже в 100 000 разів.

Рис. 2. Мікроструктура сплаву Fe-Cr після опромінення іонами Ar + c енергією 20 кеВ: а - повів. 450x; видна просторово-організована структура з характерним розміром 3мкм; б - повів. 45 000x; просторово-організована структура з характерним розміром 500-1000Е

І тут видно впорядковане розташування структурних елементів, що представляє собою чотирикутні бенароподібні осередки, причому тіло осередки та її кордону розрізняються по контрасту, однак природа осередків і в цьому випадку поки неясна. Слід зазначити дві важливі особливості структур, виявлених у експериментах.

Початковий стан металу було рівноважним і однорідним, проте після опромінення в твердому тілі з'явилися області двох типів. Можна припустити, що в смугах або кордонах осередків щільність дефектів висока, а поза смуг вона набагато менше. Подібне перетворення однорідної системи в неоднорідну гетерогенну, ми спостерігали і в інших просторово-організованих структурах. Фіолетова однорідна суміш в дослідах Білоусова перетворювалася в гетерогенну структуру з чергуються червоних і синіх смуг. У разі бенарівської нестійкості однорідна рідина перетворилася в складну структуру з осередків, в яких стан тіла осередку і межі було різним. Мабуть, Таке перетворення однорідної (гомогенної системи) в гетерогенну є правилом при сильних впливах. Тепер про іншу особливості описуваних станів. Після опромінення упорядкована структура спостерігалася в оптичному та електронних мікроскопах, масштаб в цих двох випадках значно (в 100 разів) розрізняється.

На рис. 2, а характерний розмір структури (середня відстань між смугами) складає біля 3 мкм, в комірчастої структурі на рис. 2, б - 500- 1000 Е. Таким чином, в опроміненому матеріалі спостерігається ієрархія самоорганізованих структур, впорядкування на різних масштабних рівнях. Існують також спостереження, де в радіаційному полі проявлялася тимчасова самоорганізація твердого тіла. Так, досліджувалися властивості плутонію, в якому значну частку становив ізотоп238Pu. Цей ізотоп (як, втім, і інші ізотопи плутонію) схильний радіоактивного розпаду, при цьому відбувається самоопромінення матеріалу. Виявилося, що деякі його властивості в умовах безперервного припливу енергії (відкрита система) циклічно змінюються. На рис. 3 показані результати вимірювань довжини двох різних зразків плутонію (з різним вмістом сильно активного ізотопа238Pu) з плином часу. Періодичність змін видна досить чітко.

Тепер розглянемо ще один приклад формування просторово-організованих структур в твердому тілі - при опроміненні його поверхні лазером. Лазерна обробка використовується для модифікування властивостей, наприклад для зміцнення металевих поверхонь. Однак в окремих випадках впорядковану структуру на поверхні в деяких матеріалах електронної техніки створюють цілеспрямовано, для технологічних потреб. При лазерному впливі найчастіше на матеріал багаторазово надсилаються імпульси малої тривалості. Просторово-організовані структури формуються починаючи з деякого критичного числа імпульсів. На рис. 4 показані приклади таких структур, отримані на металевому сплаві Fe-Cr-Ni. До опромінення лазером поверхню сплаву була однорідною, мікроструктура не мала якихось особливостей. Просторово-організовані стану після лазерної дії становлять істотний інтерес ще за наступними обставинами. Мікроструктура, зареєстрована після дослідження в оптичному мікроскопі (рис. 2, а; 4, а, б) або електронному мікроскопі (рис. 2, б), стає видимою

Рис. 3. Зміна довжини циліндричних зразків плутонію з часом: 1 - 7,3% 238Pu, 2 - 80% 238Pu

Рис. 4. Просторово-організовані структури після опромінення твердотілим лазером з тривалістю імпульсу 10-20 нс в сплаві Fe-Cr-Ni (300 імпульсів). збільшення 450х

через те, що в матеріалі утворюються області, в яких речовина знаходиться в різних станах. Можна припустити, наприклад, що в смугах (рис. 2, а) щільність дефектів істотно вище, ніж в навколишньому матеріалі. Однак тоді для отримання структури необхідно, щоб, по-перше, такі дефекти б- Чи створені; по-друге, потрібна перегрупування атомів (дефектів), яка веде до просторового впорядкування. В опроміненому нейтронами або іонами матеріалі, такі дефекти можуть утворюватися в парних зіткненнях, як було показано, однак для подальшої перегрупування і освіти впорядкованої структури вже потрібні колективні взаємодії, коли атом взаємодіє не тільки з найближчими сусідами.

При лазерному впливі справа йде по-іншому. На матеріал надсилається потужний пучок когерентного світлового випромінювання, проте кожен окремий світловий квант не в змозі змістити атом з його місця в решітці і утворити дефект: вакансію або міжвузловий атом. Лазерне опромінення в стані подіяти тільки на електрони твердого тіла, а вони, в свою чергу, вносять зміни у стан іонів. Таким чином, в даному випадку ми маємо безсумнівний доказ існування колективних ефектів, і при утворенні просторово-впорядкованих структур ясно проявляється когерентне поведінку системи. Цікавий також питання про вибір керуючого параметра, при досягненні порогового значення якого система переходить в сильно нерівноважний режим. Ми вже бачили, що при лазерному опроміненні режим наступає після певного числа імпульсів. Відповідь на питання, як система накопичує необхідну енергію і переходить до когерентному поведінці, вимагає спеціального дослідження на мікроструктурному рівні. При опроміненні іонами особливий стан металу, якому супроводжує освіту просторовоорганізованих структур, формується в деякому діапазоні зовнішніх параметрів: доз, інтенсивностей потоку і температур опромінення. Можна припустити, що в цьому випадку керуючим параметром може бути концентрація дефектів. Так, наприклад, з збільшенням інтенсивності потоку при даній температурі концентрація дефектів спочатку може наростати, досягаючи максимуму, а потім зменшуватися через збільшення зустрічей дефектів різного знака (вакансій і міжвузлових атомів).

На відміну від систем в слабо нерівноважної області поведінку сильно нерівноважних структур специфічно. Не існує універсального закону, який міг би в деталях визначити поведінку всіх без винятку систем, кожна з яких вимагає особливого розгляду. Так, наприклад, ми бачили, як різноманітні можуть бути просторово-організовані структури навіть після однотипного впливу і на одному масштабному рівні (див. рис. 4). Самоорганізація не є єдиним результатом еволюції навіть в нелінійній області, освіта просторових структур лише один з можливих шляхів системи, тут проявляється багатоваріантність, що теж є відмітною ознакою систем в нерівноважної області.

Висновок

Вивчення явищ самоорганізації і в більш широкому сенсі сильно нерівноважних станів в твердому тілі тільки починається. Очевидно, що воно може дати сильний поштовх розвитку фізики відкритих систем. Сучасна наука позбавляється від ілюзії, що світ влаштований просто, що всі процеси можуть бути описані простими і ясними закономірностями. В науковий обіг входять поняття нелінійності, нестійкості, флуктуацій, вони стають лейтмотивом під багатьох областях знання. Стає більш зрозумілим, як, виходячи з хімії, з науки про матеріали, можна побудувати складні структури і форми, в тому числі тe, які стали попередниками живої природи.

Нелінійні нерівноважні стану вельми чутливі до зовнішніх умов. В рівновазі матерія сліпа і мертва, вона байдужа до зовнішніх умов і нездатна до зміни. В сильно нерівноважних умовах система готова до сприйняття розбіжностей в зовнішньому світі. Все більш очевидним стає, що вивчення сильно нерівноважних станів в твердому тілі обіцяє великі практичні вигоди. На основі таких станів може бути здійснений прорив у створенні матеріалів з ??новими властивостями. Уже зараз деякі досягнення в цій галузі використовуються в мікротехнології і мікроелектроніці. Завтра ці незвичайні захоплюючі структури, можливо, ляжуть в основу нових, нині невідомих технологій.

Література

1. Хмелевська В.С. Самооганизации в твердом теле // Соросовский образовательный журнал -том 4 - №6- 2000г.

2. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс,1986431с.

3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновес-ных системах. М.: Мир, 1979. 512 с.

4. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1985. 412 с.

5. Климонтович Ю.Л. // Успехи физ. наук. 1996. Т. 166, № 11.с. 1231-1243.

Размещено на Allbest.ru