Упаковка сферы в цилиндр - Sphere packing in a cylinder

Иллюстрация столбчатой ​​конструкции, собранной из мячей для гольфа.

Столбчатая структура или кристалл представляет собой цилиндрическую структуру, которая образует в контексте цилиндрических сферических упаковок внутри или на поверхности столбчатого ограничения. Сферы одинакового размера ${\displaystyle d}$ собрать на поверхности цилиндра в упорядоченную столбчатую структуру, если диаметр цилиндра такой же порядок величины.

Типичная упорядоченная столбчатая структура собирается путем последовательного падения мячей для гольфа внутрь трубы.

Появление в науке

Столбчатые структуры появляются в различных областях исследований в широком диапазоне масштабов длины от метров до наномасштаба. В наибольшем масштабе такие структуры можно найти в ботаника где семена растения собираются вокруг стебля. В меньшем масштабе пузырьки равного размера кристаллизуются в столбчатые. мыло структуры, заключенные в стеклянную трубку. В нанонаука такие структуры можно найти в искусственных объектах, длина которых составляет от микрона до наномасштаба.

Ягоды arum maculatum образуют столбчатую структуру (Буши Парк ).

Ботаника

Столбчатые структуры впервые были изучены в ботанике из-за их разнообразного внешнего вида у растений.^[1] Д'Арси Томпсон анализировал такое расположение частей растения вокруг стебля в своей книге »О росте и форме »(1917 г.). Но они представляют интерес и в других областях биологии, включая бактерии.^[2], вирусы^[3], микротрубочки^[4], так же хорошо как нотохорда из зебра^[5].

Один из самых крупных цветов, в котором ягоды имеют правильную цилиндрическую форму, - это титан арум. Этот цветок может достигать 3 м в высоту и произрастает исключительно на западной Суматре и западной Яве.

На меньших весах ягоды arum maculatum осенью образуют столбчатую структуру. Его ягоды похожи на ягоды трупного цветка, так как titan arum является его более крупным родственником. Однако кукушка по высоте намного меньше (высота ≈ 20см). Расположение ягод варьируется от стебля до размера ягоды.

Еще одно растение, которое можно встретить во многих садах жилых районов, - это Австралийская щетка для бутылочек. Он собирает свои семенные коробочки вокруг ветки растения. Строение зависит от размера семенной коробочки до размера ветки.

Пены

Сферические мыльные пузыри заключены в цилиндрическую стеклянную трубку.

Еще одно появление упорядоченного столбчатого расположения на макроуровне: мыло структуры, заключенные внутри стеклянной трубки. Они могут быть реализованы экспериментально с помощью мыльных пузырей одинакового размера внутри стеклянной трубки, получаемых путем продувки воздухом постоянного потока газа через иглу, погруженную в раствор поверхностно-активного вещества.^[6] Поместив полученный столб пены в принудительный дренаж (подавая в него раствор поверхностно-активного вещества сверху), пена может быть доведена до высыхания (пузырьки в форме многогранники ) или влажной (сферические пузыри) структурой.^[7]

Благодаря этой простой экспериментальной установке многие столбчатые структуры были обнаружены и исследованы в контексте пен с помощью экспериментов, а также моделирования. Многие симуляции были выполнены с использованием Поверхность Evolver для исследования сухой структуры или модель твердых сфер для влажного предела, когда пузырьки имеют сферическую форму.

В зигзагообразной структуре пузыри уложены друг на друга в непрерывную W-образную форму. Для этой конкретной структуры движущаяся граница раздела с увеличивающейся жидкой фракцией была сообщена Hutzler. и другие. в 1997 г.^[8] Это включало неожиданный интерфейс с поворотом на 180 °, объяснение которого до сих пор отсутствует.

Первое экспериментальное наблюдение линейно-скользящая структура был открыт Винкельманном и другие. в системе пузырьков.^[9]

Другие обнаруженные структуры включают сложные структуры с внутренними сферами / ячейками пены. Было обнаружено, что некоторые структуры из сухого пенопласта с внутренними ячейками состоят из цепочки пятиугольных додекаэдр или же Клетки Кельвина в центре трубки.^[10] Для многих других устройств этого типа было замечено, что внешний пузырьковый слой упорядочен, причем каждый внутренний слой напоминает другую, более простую столбчатую структуру с использованием Рентгеновская томография.^[6]

Нанонаука

Столбчатые структуры также интенсивно изучались в контексте нанотрубки. Их физические или химические свойства можно изменить, улавливая в них идентичные частицы.^[11][12][13] Обычно это делается путем самосборки фуллеренов, таких как C60, C70 или C78 в углеродные нанотрубки^[11], но и нанотрубки нитрида бора^[14]

Такие структуры также собираются, когда частицы покрывают поверхность сфероцилиндра, как в контексте фармацевтических исследований. Лазаро и другие. исследовали морфологию белков вирусного капсида, самоорганизующихся вокруг металлических наностержней^[15]. Частицы лекарства были нанесены на сфероцилиндр как можно плотнее, чтобы обеспечить наилучшее лечение.

Ву и другие. встроены стержни размером в несколько микрон. Эти микростержни создаются путем плотной упаковки коллоидных частиц кремнезема внутри цилиндрических пор. Путем отверждения собранных структур микростержни были отображены и исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).^[16]

Столбчатые устройства также исследуются как возможный кандидат оптические метаматериалы (т.е. материалы с отрицательным показателем преломления), которые находят применение в суперлинзах^[17] или оптическая маскировка^[18]. Танджим и другие. строят такой резонатор путем самосборки наносфер на поверхности цилиндра.^[19][20] Наносферы подвешены в SDS раствор вместе с цилиндром диаметром ${\textstyle D}$, намного больше диаметра наносфер ${\displaystyle d}$ (${\textstyle D/d\approx 3{\text{ to }}5}$). Затем наносферы прилипают к поверхности цилиндров посредством сила истощения.

Классификация с использованием филлотактической записи

Самый распространенный способ классификации упорядоченный столбчатые структуры используют филлотактическая запись, заимствовано из ботаники. Он используется для описания расположения листьев растения, сосновых шишек или ананасов, а также плоских узоров соцветий на головке подсолнуха. В то время как расположение в первом цилиндрическое, спирали во втором расположены на диске. Для столбчатых структур принят филлотаксис в контексте цилиндрических структур.

Филлотактическая запись описывает такие структуры тройкой натуральных чисел ${\displaystyle (l=m+n,m,n)}$ с ${\textstyle l\geq m\geq n}$. Каждый номер ${\textstyle l}$, ${\displaystyle m}$, и ${\textstyle n}$ описывает семейство спиралей в трехмерной упаковке. Они считают количество спиралей в каждом направлении, пока спираль не повторится. Однако это обозначение применимо только к треугольным решеткам и поэтому ограничивается упорядоченными структурами без внутренних сфер.

Типы упорядоченных столбчатых конструкций без внутренних сфер

Упорядоченные столбчатые конструкции без внутренних сфер делятся на два отдельных класса: униформа и линейный промах конструкции. Для каждой структуры, которую можно идентифицировать с триплетом ${\textstyle (l,m,n)}$, существует однородная структура и хотя бы одно линейное скольжение.

Единая структура

Пример униформа структура и соответствующая развернутая контактная сеть. Идентичная близость каждой сферы определяет однородную структуру.

Единообразная структура определяется по каждой сфере, имеющей одинаковое количество контактирующих соседей.^[21] Это дает каждой сфере идентичное окружение. На изображении в качестве примера сбоку каждая сфера имеет шесть соседних контактов.

Количество контактов лучше всего визуализируется в развернутой контактной сети. Он создается путем выкатывания контактной сети на плоскость высоты. ${\textstyle z}$ и азимутальный угол ${\textstyle \theta }$ каждой сферы. Для однородной структуры, такой как изображенная в примере, это приводит к регулярному шестиугольная решетка. Каждая точка в этом шаблоне представляет сферу упаковки, а каждая линия - контакт между соседними сферами.

Для всех однородных конструкций с отношением диаметров более ${\displaystyle D/d>2.0}$, его отличительной чертой является правильная гексагональная решетка, так как этот тип решетки имеет максимальное количество контактов.^[21] Для разных однородных структур ${\displaystyle (l,m,n)}$ Раскатанный рисунок контакта изменяется только поворотом в ${\textstyle z{\text{-}}\theta }$ самолет. Таким образом, каждая однородная структура отличается своим вектором периодичности ${\textstyle V}$, который определяется филлотактическим триплетом ${\displaystyle (l,m,n)}$.

Линия скольжения

Пример линейный промах структура и соответствующая развернутая контактная сеть. Проскальзывание линии определяется потерей контактов.

Для каждой однородной структуры также существует связанная, но разная структура, называемая схемой скольжения.^[21]

Различия между однородной структурой и структурой со скольжением незначительны, и их трудно обнаружить на изображениях упаковок сфер. Однако, сравнивая их развернутые контактные сети, можно заметить, что некоторые линии (которые представляют контакты) отсутствуют.

Все сферы в однородной структуре имеют одинаковое количество контактов, но количество контактов для сфер в линейном скольжении может отличаться от сферы к сфере. В примере смещения линии на изображении справа некоторые сферы насчитывают пять, а другие шесть контактов. Таким образом, структура линейного скольжения характеризуется этими зазорами или потерей контактов.

Такая структура называется проскальзыванием линии, потому что потери контактов происходят вдоль линии в развернутой контактной сети. Впервые был идентифицирован Пикетом и другие., но не называется проскальзыванием линии.^[22]

Направление, в котором происходит потеря контактов, можно обозначить в филлотактических обозначениях ${\textstyle (l,m,n)}$, поскольку каждое число представляет один из векторов решетки в гексагональной решетке.^[21] Обычно это обозначается жирным шрифтом.

Срезая ряд сфер ниже потери контакта относительно ряда выше потери контакта, можно восстановить две однородные структуры, связанные с этим проскальзыванием линии. Таким образом, каждое проскальзывание линии связано с двумя соседними однородными структурами, одна с большим отношением диаметров, а другая с меньшим. ${\textstyle D/d}$.^[21][23]

Винкельманн и другие. были первыми, кто экспериментально реализовал такую ​​структуру с использованием мыльных пузырей в системе деформируемых сфер.^[9]

Плотные сферические набивки в цилиндрах

Оптимальная фракция упаковки для твердых сфер диаметром ${\displaystyle d}$ внутри цилиндра диаметром ${\displaystyle D}$.

Столбчатые структуры возникают естественным образом в контексте плотной упаковки твердых сфер внутри цилиндра. Могол и другие. изучили такие насадки с помощью имитация отжига до соотношения диаметров ${\textstyle D/d=2.873}$ для диаметра цилиндра ${\textstyle D}$ к диаметру сферы ${\textstyle d}$.^[23] Сюда входят некоторые конструкции с внутренними сферами, не контактирующими со стенкой цилиндра.

Они рассчитали долю упаковки для всех этих структур как функцию отношения диаметров. На вершинах этой кривой лежат однородные структуры. Между этими дискретными соотношениями диаметров находятся линейные проскальзывания при более низкой плотности упаковки. Их доля упаковки значительно меньше, чем у неограниченной решетчатой ​​упаковки, такой как fcc, ОЦК или ГПУ из-за свободного объема, оставленного цилиндрическим ограничением.

Богатое разнообразие таких упорядоченных структур также может быть получено путем последовательного размещения сфер в цилиндре.^[24] Чан воспроизвел все упаковки плотных сфер до ${\textstyle D/d<2.7013}$ с использованием алгоритма, в котором сферы последовательно помещаются внутрь цилиндра.

Могол и другие. также обнаружил, что такие структуры могут быть связаны с дисковыми набивками на поверхности цилиндра.^[23] Контактная сеть обеих упаковок идентична. Для обоих типов насадок было обнаружено, что разные однородные конструкции связаны друг с другом линейными клиньями.^[23]

Фу и другие. расширил эту работу на более высокие отношения диаметров ${\textstyle D/d<4.0}$ с помощью линейное программирование и обнаружил 17 новых плотных структур с внутренними сферами, не контактирующими со стенкой цилиндра.^[25]

Подобное разнообразие плотных кристаллических структур также было обнаружено для столбчатых насадок сфероиды через Моделирование Монте-Карло.^[26] Такие упаковки включают ахиральные структуры с особыми сфероидными ориентациями и хиральные спиральные структуры с вращающимися сфероидными ориентациями.

Столбчатые структуры, созданные быстрым вращением

Столбчатые конструкции собираются с помощью быстрого вращения вокруг центральной оси для перемещения сфер к этой оси.

Еще один динамический метод сборки таких конструкций был предложен Ли. и другие. ^[27] Здесь полимерные шарики помещаются вместе с жидкостью более высокой плотности во вращающийся токарный станок.

Когда токарный станок статичен, шарики плавают поверх жидкости. С увеличением скорости вращения центростремительная сила затем выталкивает жидкость наружу и бусы к центральная ось. Следовательно, шарики по существу ограничены потенциалом, определяемым вращательная энергия

$${\displaystyle E_{\text{rot}}={\frac {1}{2}}mR^{2}\omega ^{2},}$$

куда ${\textstyle m}$ масса бусинок, ${\textstyle R}$ расстояние от центральной оси, и ${\textstyle \omega }$ скорость вращения. Из-за ${\textstyle R^{2}}$ пропорциональность, удерживающий потенциал напоминает потенциал цилиндрической гармонический осциллятор.

В зависимости от количества сфер и скорости вращения были обнаружены различные упорядоченные структуры, сопоставимые с плотными упаковками сфер.

Всесторонняя теория этого эксперимента была разработана Винкельманном. и другие.^[28] Он основан на аналитических расчетах энергии с использованием общей сферической модели и предсказывает перитектоид структурные переходы.

Смотрите также

• Упаковка сфер
• Плотная упаковка равных сфер
• Проблемы с упаковкой

Рекомендации

1. Эриксон, Р. О. (1973-08-24). «Трубчатая упаковка сфер в биологической тонкой структуре». Наука. 181 (4101): 705–716. Дои:10.1126 / science.181.4101.705. ISSN  0036-8075.
2. Амир, А .; Нельсон, Д. Р. (19.06.2012). «Дислокационный рост клеточных стенок бактерий». Труды Национальной академии наук. 109 (25): 9833–9838. Дои:10.1073 / pnas.1207105109. ISSN  0027-8424. ЧВК  3382501. PMID  22660931.
3. Халл, Роджер (1976-01-01), Lauffer, Max A .; Bang, Frederik B .; Мараморош, Карл; Смит, Кеннет М. (ред.), «Структура тубулярных вирусов», Достижения в вирусных исследованиях, Academic Press, 20, стр. 1–32, Дои:10.1016 / с0065-3527 (08) 60500-х, получено 2020-04-13
4. Брайан, Джозеф (1974-12-01). «Микротрубочки». Бионаука. 24 (12): 701–711. Дои:10.2307/1297089. ISSN  0006-3568.
5. Норман, Джеймс; Соррелл, Эмма Л .; Ху, Йи; Сирипурапу, Вайшнави; Гарсия, Джейми; Багвелл, Дженнифер; Шарбонно, Патрик; Лубкин, Шэрон Р .; Багнат, Мишель (05.11.2018). «Самоорганизация тканей лежит в основе морфогенеза хорды». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 373 (1759): 20170320. Дои:10.1098 / rstb.2017.0320. ЧВК  6158209. PMID  30249771.
6. Meagher, A.J .; Гарсия-Морено, Ф .; Banhart, J .; Mughal, A .; Хатцлер, С. (20 мая 2015 г.). «Экспериментальное исследование столбчатых кристаллов с использованием монодисперсных микропузырьков». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты. Сборник статей, представленных на 10-й конференции Eufoam, Салоники, Греция, 7-10 июля 2014 г. 473: 55–59. Дои:10.1016 / j.colsurfa.2014.12.020. ISSN  0927-7757.
7. Weaire, D .; Hutzler, S .; Verbist, G .; Питерс, Э. (2007), «Обзор пенного дренажа», Успехи химической физики, John Wiley & Sons, Ltd, стр. 315–374, Дои:10.1002 / 9780470141618.ch5, ISBN  978-0-470-14161-8, получено 2020-04-16
8. Hutzler, S .; Weaire, D .; Кроуфорд, Р. (1 июня 1997 г.). «Подвижные границы в упорядоченных цилиндрических пенопластах». Философский журнал B. 75 (6): 845–857. Дои:10.1080/13642819708205711. ISSN  1364-2812.
9. Winkelmann, J .; Haffner, B .; Weaire, D .; Mughal, A .; Хатцлер, С. (31.07.2017). "Исправленная статья: Моделирование и наблюдение структур линейного скольжения в столбчатых структурах мягких сфер [Phys. Rev. E 96, 012610 (2017)]". Физический обзор E. 97 (5): 059902. Дои:10.1103 / PhysRevE.97.059902.
10. Saadatfar, M .; Barry, J .; Weaire, D .; Хатцлер, С. (01.09.2008). «Заказанные цилиндрические конструкции из пенопласта с внутренними пузырями». Письма в философский журнал. 88 (9–10): 661–668. Дои:10.1080/09500830802307658. ISSN  0950-0839.
11. Troche, Karla S .; Coluci, Vitor R .; Брага, Шейла Ф .; Чинеллато, Дэвид Д.; Сато, Фернандо; Legoas, Sergio B .; Рурали, Риккардо; Гальвао, Дуглас С. (1 февраля 2005 г.). «Прогнозирование упорядоченных фаз инкапсулированных C60, C70 и C78 внутри углеродных нанотрубок». Нано буквы. 5 (2): 349–355. Дои:10.1021 / nl047930r. ISSN  1530-6984.
12. Санвария, Сунита; Горечий, Андрей; Вольф, Даниэль; Чу, Че-Йи; Чен, Синь-Лунг; Форманек, Петр; Штамм, Манфред; Шривастава, Раджив; Нандан, Бхану (2014). «Спиральная упаковка наночастиц, заключенных в цилиндрических доменах самоорганизующейся блочной сополимерной структуры». Angewandte Chemie International Edition. 53 (34): 9090–9093. Дои:10.1002 / anie.201403565. ISSN  1521-3773.
13. Ямазаки, Т; Курамочи, К; Такаги, Д; Homma, Y; Нисимура, Ф; Хори, Н; Ватанабэ, К. Сузуки, S; Кобаяши, Y (30.01.2008). «Упорядоченные наноцилиндры фуллерена в углеродных нанотрубках большого диаметра». Нанотехнологии. 19 (4): 045702. Дои:10.1088/0957-4484/19/04/045702. ISSN  0957-4484.
14. Chopra, Nasreen G .; Luyken, R.J .; Cherrey, K .; Креспи, Винсент Х .; Коэн, Марвин Л .; Луи, Стивен Дж .; Зеттл, А. (1995-08-18). "Нанотрубки нитрида бора". Наука. 269 (5226): 966–967. Дои:10.1126 / science.269.5226.966. ISSN  0036-8075. PMID  17807732.
15. Lázaro, Guillermo R .; Драгня, Богдан; Хэган, Майкл Ф. (18.07.2018). «Самосборка выпуклых частиц на сфероцилиндрических поверхностях». Мягкая материя. 14 (28): 5728–5740. Дои:10.1039 / C8SM00129D. ISSN  1744-6848. ЧВК  6051892. PMID  29796568.
16. Ву, Гаосян; Чо, Хесон; Вуд, Дерек А .; Динсмор, Энтони Д .; Ян, Шу (2017-04-12). «Ограниченные сборки коллоидных частиц с мягким отталкивающим взаимодействием». Журнал Американского химического общества. 139 (14): 5095–5101. Дои:10.1021 / jacs.6b12975. ISSN  0002-7863.
17. Озбай, Экмель (01.11.2008). «Волшебный мир фотонных метаматериалов». Новости оптики и фотоники. 19 (11): 22–27. Дои:10.1364 / OPN.19.11.000022. HDL:11693/23249. ISSN  1541-3721.
18. Цай, Вэньшань; Четтиар, Удай К .; Кильдишев, Александр В .; Шалаев, Владимир М. (апрель 2007 г.). «Оптическая маскировка метаматериалами». Природа Фотоника. 1 (4): 224–227. arXiv:физика / 0611242. Дои:10.1038 / nphoton.2007.28. ISSN  1749-4893.
19. Манохаран, Винотан. «Самособирающийся метаматериал». Лаборатория манохарана. Получено 13 апреля 2020.
20. Танджим, Набила. "Сайт Танджима". Получено 14 апреля 2020.
21. Винкельманн, Йенс (2020). Конструкции столбчатых насадок с мягкими и твердыми сферами (Дипломная работа). Тринити-колледж Дублина. Школа физики. Дисциплина физики.
22. Пикетт, Гален Т .; Валовой, Марк; Окуяма, Хироко (2000-10-23). «Спонтанная киральность в простых системах». Письма с физическими проверками. 85 (17): 3652–3655. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.3652.
23. Mughal, A .; Chan, H.K .; Weaire, D .; Хатцлер, С. (11 мая 2012 г.). «Плотные упаковки сфер в цилиндры: симуляции». Физический обзор E. 85 (5): 051305. Дои:10.1103 / PhysRevE.85.051305.
24. Чан, Хо-Кей (14 ноября 2011 г.). «Наиболее плотные столбчатые структуры твердых сфер от последовательного осаждения». Физический обзор E. 84 (5): 050302. arXiv:1110.4956. Дои:10.1103 / PhysRevE.84.050302.
25. Фу, Линь; Стейнхардт, Уильям; Чжао, Хао; Socolar, Джошуа Э. С .; Шарбонно, Патрик (23 февраля 2016). «Уплотнения твердых сфер в цилиндрах». Мягкая материя. 12 (9): 2505–2514. arXiv:1511.08472. Дои:10.1039 / C5SM02875B. ISSN  1744-6848.
26. Цзинь, Вэйвэй; Чан, Хо-Кей; Чжун, Чжэн (2020-06-16). «Упорядоченные насадки, индуцированные анизотропией формы, в цилиндрическом ограничении». Письма с физическими проверками. 124 (24): 248002. Дои:10.1103 / PhysRevLett.124.248002.
27. Ли, Тэхун; Гизинский, Конрад; Гжибовски, Бартош А. (2017). «Неравновесная самосборка однокомпонентных и многокомпонентных трубчатых конструкций во вращающихся жидкостях». Современные материалы. 29 (47): 1704274. Дои:10.1002 / adma.201704274. ISSN  1521-4095.
28. Winkelmann, J .; Mughal, A .; Уильямс, Д. Б.; Weaire, D .; Хатцлер, С. (25 февраля 2019 г.). «Теория вращательных столбчатых структур мягких сфер». Физический обзор E. 99 (2): 020602. arXiv:1808.02952. Дои:10.1103 / PhysRevE.99.020602.

внешняя ссылка

• Беккер, Аарон Т. и Хуанг, Л. «Упаковка сфер в тонкий цилиндр». MathWorld.