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 пространственноорганизованных 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,1986. 431 с.

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.

Поиск по сайту: