Плавление — пример коллективного эффекта, возникающего из-за синхронного движения многих частиц. Изображение с сайта hera.physik.uni-konstanz.de
Из рассуждений на предыдущей странице можно сделать любопытный вывод: в наносекундный интервал попадают разнообразные коллективные атомные явления. Это такие процессы, в которых движений отдельных молекул синхронизуется в нечто цельное, совместное, в какое-то единое физическое явление. Вот некоторые примеры таких эффектов.
- Кристаллизация, плавление, растворение, горение и прочие физико-химические процессы в веществе. Обратите внимание: под словом «плавление» здесь имеется в виду не таяние всего кубика льда целиком — это, конечно, очень долгий процесс, — а локальное плавление, превращение льда в воду в микроскопическом объемчике. Если в этот объемчик льда поступило лишнее тепло, молекулы стали дергаться сильнее, связи начали рваться, упорядоченное расположение молекул в кристалле нарушается, а затем и вовсе исчезает — и молекулы воды сходят со своих насиженных мест и начинают блуждать вокруг. Вот этот процесс и есть локальное плавление.
- Образование наноразмерных объектов, предвестников будущих крупных измерений в веществе. Эти наноразмерные объекты могут быть разные: зародыш трещины в твердом теле при нагрузке, наноразмерная капелька, на которой в будущем вырастет полноценная капля дождя, мельчайший пузырек пара в перегретой жидкости, предвестник вскипания.
- Сюда же относится и формирование сложных биологически важных молекул. Например, ключевые этапы фолдинга белков — сложного процесса самостоятельной упаковки белковой молекулы в наиболее энергетически выгодное состояние — занимают наносекунды. В уже собранном, рабочем виде белки выполняют свои биологические функции, и их элементарные шаги тоже занимают наносекунды.
- Поведение «чужих» атомов на атомарно гладкой поверхности кристалла. Если атом попал на поверхность кристалла и не связался с ней химической связью, он не обязан лежать в каком-то определенном месте поверхности, а может прыгать из одного узла в другой. Однако при не слишком высоких температурах эти прыжки происходят намного реже, чем период теплового колебания атома туда-сюда.
В видеоролике показано компьютерное моделирование того, как молекулы воды ведут себя в микроскопическом кристаллике льда при подведении тепла. Обратите внимание, насколько временной масштаб плавления больше периода колебания отдельных молекул! Другие примеры моделирования физико-химических процессов можно найти на страничке исследовательской группы из Иллинойсского университета
Ядра конденсации — зародыши будущих капелек, из которых состоят облака. Зародыши ядер конденсации состоят из нескольких молекул и формируются за наносекунды. Изображение с сайта cmmap.org
Белковая молекула — самый жизненный пример коллективного атомного движения. Изображение с сайта nature.com
Блуждание примесного атома на поверхности кристалла. При не слишком высоких температурах примесный атом совершает много рывков на одном месте, прежде чем перепрыгнуть на соседнее. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Приведенные здесь примеры служат хорошей иллюстрацией для той общей тенденции к замедлению, которую мы упоминали на страничке про тонкости оценки времен. Отдельные молекулы очень юркие, и их «родной» временной масштаб совсем иной — пико- или даже фемтосекунды. Однако для возникновения нового эффекта им требуется выполнить много таких рывков и тем самым попытаться скоординировать свои действия. И вот тогда на наносекундном масштабе из очень большого числа рывков туда-сюда может возникнуть новое, коллективное явление.
Электромагнитные колебания От предметов к веществу