В ИТМО выяснили, как динамические системы переходят к хаосу

В Университете ИТМО ученые объяснили, как микрочастицы диоксида кремния в специальной ловушке могут стать хаотичными.

В этой ловушке на частицу действует переменное напряжение, которое заставляет ее двигаться по определенной траектории. Если напряжение увеличить, то траектория частицы станет похожей на бабочку или ската.

Эти данные помогут определить характеристики частиц с неизвестным размером в радиочастотной ловушке. Это важно при создании новых материалов.

Ученые из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге придумали новый способ узнавать характеристики частиц, из которых состоят материалы. Для этого они используют специальное устройство — квадрупольную ловушку. Она состоит из четырех электродов, которые создают электрические поля.

Если поместить частицу в эту ловушку, она будет двигаться по определенной траектории, похожей на ромб. Форма и размер этой траектории зависят от характеристик частицы. Таким образом ученые могут узнать массу, заряд, размер и плотность частицы, просто наблюдая за ее движением.

Эксперименты показали, что этот метод так же точен, как и другие, уже проверенные способы.

В новом исследовании ученые с помощью математики объяснили, как микрочастицы диоксида кремния разного размера ведут себя в радиочастотной ловушке. Эта ловушка состоит из трех изогнутых электродов на стеклянной подложке.

Когда на электроды подается переменное напряжение, создается электрическое поле, которое заставляет частицу «зависать» над поверхностью электродов и двигаться определенным образом. При низком напряжении частица движется плавно и упорядоченно, ее траекторию можно предсказать. Но когда напряжение увеличивается, движение частицы становится хаотичным и непредсказуемым.

Ученые провели исследование и выяснили, что есть три способа, которыми упорядоченное движение может стать хаотичным.

Оказалось, что размер частицы влияет на то, как она достигнет хаоса. Частицы меньше 5,8 микрометра при низком напряжении движутся по одной линии — то вперед, то назад. Когда напряжение растет, путь частицы становится длиннее и искривляется. В конце концов он становится похож на очень вытянутый и несимметричный символ бесконечности или крылья бабочки.

В какой-то момент частица разгоняется настолько сильно, что вылетает из ловушки или сталкивается с электродом. Поэтому самые маленькие частицы в этой системе не могут стать хаотичными.

Если размер частицы от 5,8 до 7,2 микрометра, сначала она движется по прямой, а потом — по кривой, как несимметричная бабочка. Затем ее путь становится сложнее и похож на несколько наложенных друг на друга несимметричных бабочек со сдвигом.

Когда напряжение растет, путь частицы усложняется настолько, что предсказать ее движение в определенный момент времени становится невозможно. Это значит, что возникло состояние хаоса.

Если частицы достаточно большие — от 8,3 до 11,5 микрометров в диаметре, — они движутся не по прямой, а как симметричная бабочка. Когда напряжение растет, они превращаются в дугу, потом в перевернутую бабочку и в конце концов начинают двигаться хаотично.

Частицы самого большого размера из тех, что мы рассматриваем (от 12 до 18,5 микрометра), переходят к хаосу другим путем — через траекторию в форме ромба, похожую на след ската.

Можно использовать особенности движения частиц в радиочастотной ловушке, чтобы определить их характеристики, например, массу и заряд. Особенно это полезно, когда частицы переходят в состояние хаоса.

Понимание того, как динамические системы переходят к хаосу, помогает предсказывать поведение сложных систем, таких как организмы или целые сообщества, например экосистемы. Это может быть полезно в экологии и медицине, где важно предугадывать развитие различных состояний.

Зависимость характера движения частиц от размера можно использовать для анализа биологических микро- и наночастиц. В будущем мы планируем использовать полученные результаты для изучения структуры отдельных клеток, — рассказал руководитель проекта Семен Рудый, заведующий лабораторией центра «Информационные оптические технологии» Университета ИТМО.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале AIP Chaos.

24.11.2024