В изненадващ обрат на академичните събития екип от физици от Университета на Масачузетс Амхърст е открил ново поведение на течността, което изглежда е предизвикателство за основните принципи на термодинамиката.

Пробивът е свързан с това как магнитните частици пречат на емулгирането - процес, който обикновено позволява на несмесващи се течности като масло и вода да се смесват при определени условия. Публикувано в Nature Physics, изследването документира феномен, който изследователите описват като „течност, възстановяваща формата си“ - нещо, което никога досега не е наблюдавано в областта на физиката на меката материя.

Началото на откритието е поставено в лабораторията на университета в град Амхърст, когато Антъни Рейх, магистрант по физика, се опитва да създаде емулгирана смес от масло и вода с помощта на намагнетизирани никелови частици. Той проучва как магнитните материали могат да се използват за създаване на нови видове течности. Но това, което се случило след това, не отговаряло на очакванията. Без значение колко енергично разклащал сместа, вместо да се смесят, двете течности многократно се разделяли и се установявали в отделна, извита формация, наподобяваща гръцка урна.

Озадачен от резултата, Рейх се консултира с наставниците си от катедрата по полимерни науки и инженерство. „Помислих си: „Какво е това нещо?“, разказва той. „Обикалях нагоре-надолу по коридорите и ги питах дали знаят какво се случва.“ Първоначално никой от професорите не може да даде ясно обяснение. В крайна сметка двама старши изследователи, Томас Ръсел и Дейвид Хогланд, разпознали поведението като потенциален пробив и започнали да проучват по-нататък.

Емулгирането се управлява от термодинамични закони, които описват как веществата взаимодействат на повърхности, като например границата между масло и вода. Обикновено, когато към смес масло-вода се добавят малки частици, те намаляват повърхностното напрежение и помагат на двете течности да се смесят временно. Този принцип се използва във всичко - от хранителни продукти до промишлени материали. Но в този случай силно намагнитените никелови частици изглежда са имали обратен ефект.

Според Хоугланд, който специализира в меки материали, магнитната сила на частиците е била достатъчна, за да увеличи междуфазовото напрежение, огъвайки границата между течностите, вместо да я разрушава.

„Можете да получите изключително подробна информация за това как се сглобяват различните форми“, обяснява Хоугланд, отбелязвайки, че подреждането на наночастиците под магнитна сила е довело до образуването на формата на урна. Това подреждане е предотвратило традиционното емулгиране, изглежда заобикаляйки правилата, очертани от термодинамичната теория.

За да проверят странното поведение, екипът на Масачузетския университет в Амхърст си сътрудничи с изследователи от университета "Тъфтс" и университета в Сирауза. Използвайки симулации и детайлно моделиране, мултиинституционалният екип потвърди, че действащите магнитни сили наистина са способни да реорганизират флуидния интерфейс по напълно неочакван начин. Ефектът беше постоянен - ​​всеки път, когато сместа се разклаща, формата на урната се появява отново със забележителна прецизност.

„Тази смес образуваше тази красива, девствена форма на урна“, продължава Райх. Фактът, че формата се връщаше след всяко смущение, сигнализира, че системата намира стабилно равновесие - просто не вида, предсказан от стандартната физика. Според изследователите този вид самоорганизиращо се поведение представлява невиждано досега състояние в течните смеси и отваря нови възможности за разбиране как външни сили като магнетизма могат да повлияят на свойствата на материалите.

Изследването няма непосредствени практически приложения, но последиците от него за областта на физиката на меката материя са значителни.

Снимка: Unsplash

Виж още: Квантовата симулация показва как реалността може да се срине като пясъчна кула