Исключение из законов термодинамики: жидкость, восстанавливающая форму, бросает вызов учебникам

Группа исследователей под руководством аспиранта-физика из Массачусетского университета в Амхерсте сделала удивительное открытие: они обнаружили жидкость, которая восстанавливает свою форму, что противоречит некоторым устоявшимся представлениям, основанным на законах термодинамики.

В исследовании, опубликованном в Nature Physics, подробно описывается смесь масла, воды и намагниченных частиц, которая при встряхивании всегда быстро разделяется на то, что выглядит как классические изогнутые линии греческой урны.

«Представьте себе свою любимую заправку для итальянского салата, — говорит Томас Рассел, заслуженный профессор Сильвио О. Конте в области науки и инженерии полимеров в Университете Массачусетса в Амхерсте и один из авторов статьи. – Он состоит из масла, воды и специй, и перед тем, как полить им салат, его нужно взболтать, чтобы все ингредиенты перемешались».

Именно эти специи, эти маленькие кусочки чего-то ещё позволяют воде и маслу, которые обычно не смешиваются, образовывать эмульсию. Этот процесс называется эмульгированием и описывается законами термодинамики.

Эмульгирование лежит в основе множества технологий и применений, выходящих далеко за рамки приправ, и однажды аспирант Массачусетского университета в Амхерсте Энтони Райх смешивал в лаборатории эту научную «заправку для салата», чтобы посмотреть, что он может создать. Только вместо специй он использовал намагниченные частицы никеля, «потому что, когда жидкость содержит магнитные частицы, можно создавать всевозможные интересные материалы с полезными свойствами», говорит Райх.

Он приготовил смесь, взболтал её — и, к его полному удивлению, смесь приняла форму красивой, безупречной урны. Сколько бы раз он ни встряхивал и как бы сильно ни встряхивал, форма урны всегда возвращалась.

«Я подумал: «Что это такое?» Поэтому я ходил взад-вперёд по коридорам факультета науки и инженерии полимеров, стучался в двери своих профессоров и спрашивал, не знают ли они, что происходит», — продолжает Райх.

Никто не знал. Но это привлекло внимание Рассела и Дэвида Хоаглендов, профессоров науки и инженерии полимеров в Университете Массачусетса в Амхерсте, других авторов статьи и специалистов по мягким материалам.

Команда провела эксперименты и обратилась к коллегам из университетов Тафтса и Сиракуз, чтобы провести моделирование. Совместная работа показала, что магнетизм, «сильный» магнетизм, объясняет необъяснимое явление, открытое Райхом.

«Если вы внимательно посмотрите на отдельные наночастицы намагниченного никеля, которые образуют границу между водой и маслом, — говорит Хоугланд, — вы можете получить очень подробную информацию о том, как собираются различные формы. В этом случае частицы намагничены достаточно сильно, чтобы их сборка препятствовала процессу эмульгирования, который описывается законами термодинамики».

Как правило, частицы, добавленные в смесь масла и воды, снижают натяжение на границе раздела двух жидкостей, позволяя им смешиваться. Но в данном случае достаточно сильно намагниченные частицы на самом деле увеличивают межфазное натяжение, искривляя границу между маслом и водой.

«Когда вы видите что-то, чего не должно быть, вы должны это исследовать», — говорит Рассел.

Хотя у его нового открытия пока нет практического применения, Райх с нетерпением ждёт, как это невиданное ранее состояние может повлиять на область физики мягких материалов.

Источник: Phys.org