2019-04-04 14:06:02
秩序隐藏在混乱中

将空间划分为具有最佳几何特性的单元是许多科学和技术领域的核心挑战。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员和来自几个国家的同事现已发现,在无定形系统,即无序系统中,单个细胞的优化逐渐导致相同的结构,尽管它仍然是无定形的。无序结构迅速收敛于超均匀性,这是大规模的隐藏秩序。据Nature Communications报道。

科学研究通常需要寻找最佳泡沫或尽可能接近地包装球体的方法。科学家长期以来一直在研究三维空间的理想镶嵌。它不仅具有理论意义,而且与许多实际应用相关,尤其适用于电信,图像处理或复杂颗粒。 KIT的随机学研究所的研究人员现在研究了一个特殊的曲面细分问题,即量化器问题。 “目标是将空间划分为细胞,并且直观地说,细胞中的所有点都尽可能地靠近细胞中心,”研究所前工作人员Michael Andreas Klatt博士说,他现在在美国普林斯顿大学量化器问题的解决方案可用于开发新材料,并有助于更好地理解未来复杂细胞组织的独特性质。

理论工作结合了随机几何和统计物理的方法,现在在Nature Communications上报道。 KIT,普林斯顿大学,弗里德里希 - 亚历山大大学(FAU)埃尔兰根 - 纽伦堡,萨格勒布的RuđerBošković研究所和珀斯的默多克大学的研究人员使用了所谓的劳埃德算法,这是一种将空间划分为均匀区域的方法。每个区域只有一个中心,并且包含空间中与其他任何中心相比更接近的点。这些区域称为Voronoi细胞。 Voronoi图由具有多于一个最近中心的所有点组成,因此形成区域的边界。

科学家研究了各种点模式的逐步局部优化,发现所有完全无定形的,即无序的状态不仅保持完全无定形,而且最初不同的过程会聚到统计上无法区分的整体。逐步局部优化还可以快速补偿密度的极端全局波动。 “由此产生的结构几乎是不均匀的。它没有表现出任何明显的,但在大尺度上是隐藏的顺序,”Klatt说。

因此,隐藏在非晶系统中的这种顺序是通用的,即稳定且独立于初始状态的特性。这为有序和无序的相互作用提供了基本的见解,并且可以用于开发新材料。特别感兴趣的是类似于用于光或所谓的嵌段共聚物的半导体的光子超材料,即由较长序列组成的纳米颗粒或以自组织方式形成规则和复杂结构的各种分子的嵌段。

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