Физики ввели в обращение новую квазичастицу

Учёные из Бельгии, Франции и США предложили формальную модель, включающую в себя описание оригинальной квазичастицы — ринклона.

Английское название квазичастицы (wrinklon), образованное от слова wrinkle, которым обозначают морщины или складки, отражает её физический смысл: новая модель характеризует именно образование и распределение волнообразных складок на тонких листах, закреплённых с одного края. Размеры таких листов могут изменяться от сотен нанометров до нескольких метров, а материалом может оказаться как привычная ткань, так и открытый недавно графен.

Разработка модели началась с экспериментов с обычными крупными (их длина попадала в интервал 2–4 м) шторами, выполненными из ткани, натурального латекса или бумаги. Один край подготовленных образцов экспериментаторы прикрепляли к планке с волнообразным профилем и оценивали поперечный размер складок на разных расстояниях х от зафиксированного края. Как оказалось, изменение средней «длины волны» λ, соответствующей складкам, хорошо описывается простой степенной зависимостью λ(х) ~ х^m. В дальнейшем выяснилось, что образование складок на подвешенной графеновой мембране подчиняется тем же законам.

Рис. 1. Складки на графеновой мембране, подвешенной над бороздкой, и шторе из тонкого слоя латекса. Масштабные полоски — 1 мкм и 25 см. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Physical Review Letters).

Задействованные в опытах материалы разделились на две группы, отличающиеся друг от друга величиной m. Чтобы корректно описать свойства обеих групп, физики и ввели понятие ринклона — структурного элемента, многократное повторение которого характеризует всю совокупность складок. Отдельный ринклон отвечает за переходную область, в которой две складки с «длиной волны» λ объединяются с образованием более крупной. Каждому ринклону при этом соответствует некоторый размер L, определяемый характеристиками материала и значением λ.

В результате учёные получили прекрасно согласующиеся с экспериментальными данными варианты зависимости λ(х) ~ х^m для «лёгких» (ткани, бумаги) и «тяжёлых» (латекса, двухслойного графена) материалов. В последнем случае выражение, к примеру, имеет вид λ(х)/h ~ (E•h/Т)0,25•(х/h)0,5, где h — толщина листа, E — модуль Юнга, а величина Т характеризует растягивающую силу. У «лёгких» листов выражение получается несколько более громоздким, причём отношение (х/h) возводится в другую степень, равную 2/3.

Эта модель, как надеются её авторы, будет использоваться при исследовании новых материалов — скажем, того же графена. Поскольку свойства мембраны зависят от её толщины, модель даёт возможность по виду складок определить, сколько атомарных слоёв входит в тот или иной образец, и выделять однослойный графен.

Рис. 2. Слева сверху показана схема эксперимента с тонкими образцами полипропилена, в котором изучались свойства ринклонов, а справа — сама область, в которой совершается переход от двух складок с «длиной волны» λ к одной. Внизу дана трёхмерная модель этой области.

Рис. 3. Результаты опытов с полипропиленом разной толщины, которые демонстрируют сходство ринклонов.

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Hugues Vandeparre, Miguel Piñeirua, Fabian Brau, Benoit Roman, José Bico, Cyprien Gay, Wenzhong Bao, Chun Ning Lau, Pedro M. Reis, and Pascal Damman Wrinkling Hierarchy in Constrained Thin Sheets from Suspended Graphene to Curtains. – Phys. Rev. Lett. – 2011. – 106. – P. 224301 [4 pages].

1. Physics World

2. compulenta.ru