Symulacje komputerowe pomagają zrozumieć elektryczność

Symulacje komputerowe pomagają zrozumieć elektryczność

Symulacje komputerowe pokazały, jak przewodność materiałów zwiększa się w przewidywalny sposób w obecności pola elektrycznego. Odkrycie to może mieć istotne znacznie dla praktycznych systemów wykorzystywanych w elektrochemii, biochemii, inżynierii elektrycznej i wielu innych dziedzinach.

Badania, opublikowane w czasopiśmie Nature Materials, objęły ocenę przewodności elektrycznej stałego elektrolitu o sieci krystalicznej. Zachowanie tego systemu jest wskaźnikiem zachowania się wielu materiałów w polu elektrycznym. Mowa, m. in. o wodzie, szkłach przewodnych oraz molekułach biologicznych.

Na załączonym zdjęciu widać symulację funkcji korelacji dla termicznie wzbudzonych par w polu elektrycznym. Symulacje kratowe umożliwiają dostęp do informacji na poziomie atomowym i dostarczają danych na temat powszechnego wzrostu przewodności postulowanego przez Onsangera w 1934 roku.

Przewodnictwo elektryczne rozumiane w kategoriach prawa Ohma jest niezależne od wielkości przyłożonego pola. Prawo to jest spełnione dla słabych pól, co oznacza, że większości próbek materiałów możemy przypisać określoną rezystywność.

Jednak, w silnym polu elektrycznym, wiele materiałów wykazuje odchylenia od prawa Ohma, przy czym przewodność rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem pola. Powodem tego jest fakt, że w materiale uwalniane są nowe ładunki przenoszące prąd, tym samym zwiększając przewodność materiału. Co ciekawe, dla szerokiej klasy materiałów, forma zwiększania się przewodności jest uniwersalna i nie zależy od jego typu.

Ta zasada uniwersalności również została przewidziana w 1934 roku przez przyszłego laureata Nagrody Nobla, Larsa Onsangera, który opracował teorię wzrostu przewodności w elektrolitach, takich jak kwas octowy. Swoje odkrycie nazwał drugim efektem Wiena. Teoria Onsangera została niedawno zastosowana w systemach biochemicznych, membranach jonowych, półprzewodnikach, ogniwach słonecznych oraz w kreacji monopoli magnetycznych.

Naukowcy z Londyńskiego Centrum Nanotechnologii (LCN), Instytutu Systemów Złożonych w Dreźnie oraz Lyonskiego Uniwerystetu, udało się po raz pierwszy zobrazować drugi efekt Wiena dzięki symulacjom komputerowym. Badania przeprowadzili Vojtech Kaiser, Steve Bramwell, Peter Holdsworth oraz Roderich Moessner.

Profesor Steve Bramwell z LCN powiedział: „Efekt opisany przez Onsangera ma znacznie praktyczne, a zarazem zawiera w sobie całe piękno fizyki. Dzięki symulacjom komputerowym możemy go poznać i ujawnić jego tajemnice zaszyte w skali atomowej. Nowoczesna nauka i technika coraz bardziej pogłębia wiedzę na temat wysokoenergetycznych pól elektrycznych. Nowe dane, które uzyskaliśmy mają dla fizyki niebagatelne znaczenie."

(rr)