Введение
Структура WeairePhelanСтатья:Космическая группаФибрильная скруткаСтатья КоктераPmn (223) 2o[[4,3,4]+] В геометрии структура WeairePhelan представляет собой трехмерную структуру, представляющую собой идеализированную пену из пузырьков одинакового размера, с двумя различными формами. В 1993 году Денис Вир и Роберт Фелан обнаружили, что эта структура является лучшим решением проблемы Кельвина о тиснении пространства клетками с равным объемом минимальной площади поверхности, чем предыдущее наиболее известное решение, структура Кельвина.
In geometry, the Weaire–Phelan structure is a three dimensional structure representing an idealised foam of equal sized bubbles, with two different shapes. In 1993, Denis Weaire and Robert Phelan found that this structure was a better solution of the Kelvin problem of tiling space by equal volume cells of minimum surface area than the previous best known solution, the Kelvin structure.
Описание
Структура WeairePhelan отличается от структуры Кельвина тем, что она использует два типа клеток, хотя они имеют одинаковый объем. Как и клетки в структуре Кельвина, эти клетки комбинаторно эквивалентны выпуклому многограннику. Один из них - пиритоэдр, нерегулярный додекаэдр с пятиугольными лицами, обладающий тетраэдрической симметрией (Th). Второй - это форма укороченного шестиугольного трапецоэдра, вид тетракайдекаэдра с двумя шестиугольными и двенадцатью пятиугольными лицами, в этом случае имеющий только две зеркальные плоскости и симметрию роторефлекции. Как и шестиугольники в структуре Кельвина, пятиугольники в обоих типах ячеек слегка изогнуты. Площадь поверхности структуры WeairePhelan на 0,3% меньше, чем у структуры Кельвина. Клетки тетракайдекаэдра, соединенные лицом к лицу цепями клеток вдоль их шестиугольных линий, образуют цепи в трех перпендикулярных направлениях. Комбинаторно эквивалентная структуре WeairePhelan может быть выполнена как плитка пространства единичными кубами, выстроенными лицом к лицу в бесконечные квадратные призмы таким же образом, чтобы сформировать структуру взаимосвязанных призм, называемую тетрастиксом. Эти призмы окружают кубические пустоты, которые образуют одну четверть клеток кубической плитки; оставшиеся три четверти клеток заполняют призмы, смещенные на пол единицы от цельной сетки, выровненной со стенами призмы. Аналогичным образом, в самой структуре WeairePhelan, которая имеет те же симметрии, что и структура тетрастикс, 1/4 клеток - это додекаэдры, а 3/4 - тетракаидекаэдры. Полиэдрический сосуд, связанный со структурой WeairePhelan (полученный путем сплющивания поверхностей и выпрямления краев), также называется свободно структурой WeairePhelan. Это было известно задолго до того, как была обнаружена структура WeairePhelan, но применение к проблеме Кельвина было упускано из виду.
В физических системах
Эксперименты показали, что при благоприятных пограничных условиях пузырьки с одинаковым объемом спонтанно самособираются в структуру WeairePhelan. Сопутствующий полиэдрический сосуд встречается в двух связанных геометриях кристаллической структуры в химии. Там, где компоненты кристалла лежат в центрах полиэдра, он образует одну из фаз Франка-Каспера, фазу А15. Когда компоненты кристалла лежат в углах полиэдра, это называется "клатратной структурой типа I". Газовые гидраты, образованные метаном, пропаном и углекислым газом при низких температурах, имеют структуру, в которой молекулы воды находятся в узлах структуры Weaire Phelan и связаны водородом, а более крупные молекулы газа заперты в полиэдрических клетках. Некоторые гидриды щелочных металлов, силициды и германиды также образуют эту структуру, с кремнием или германием в узлах и щелочными металлами в клетках.
В архитектуре
Структура WeairePhelan является вдохновением для дизайна Тристрама Карфре Пекинского национального центра водных видов спорта, "Куб воды", для летних Олимпийских игр 2008 года.