Исследовательская группа из Университета Массачусетса в Амхерсте (UMass Amherst) столкнулась с неожиданным явлением. Аспирант-физик Энтони Рэйх обнаружил, что смесь масла, воды и намагниченных наночастиц никеля после встряхивания неизменно разделяется, образуя устойчивую форму, напоминающую «классически изогнутые линии греческой вазы». Эта форма оставалась стабильной независимо от частоты или интенсивности встряхивания.
Открытие стало полной неожиданностью, поскольку противоречило устоявшимся принципам термодинамики, касающимся эмульгирования и межфазного натяжения. Обычно ожидается, что подобные смеси (эмульсии) либо смешиваются, либо разделяются иным образом под действием эмульгаторов, снижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Наблюдаемое же поведение казалось невозможным.
Энтони Рэйх вспоминает свою реакцию: "... в полной неожиданности смесь приняла эту прекрасную, безупречную форму вазы». Столкнувшись с необъяснимым, он искал ответы у коллег: «Я подумал: 'Что это такое?' И я ходил по коридорам... спрашивая их, знают ли они, что происходит».
Для разгадки потребовались совместные усилия. Эксперименты проводились в UMass Amherst, а компьютерное моделирование — в Университете Тафтса и Сиракузском университете. Ключевую роль в исследовании сыграли старшие авторы из UMass Amherst: Томас Рассел, заслуженный профессор полимерных наук и инженерии имени Сильвио О. Конте, и Дэвид Хогланд, профессор полимерных наук и инженерии, специализирующийся на мягких материалах.
Томас Рассел объясняет стандартный процесс эмульгирования на простом примере: «Представьте себе вашу любимую итальянскую салатную заправку...» Обычно компоненты вроде специй действуют как эмульгаторы, снижая межфазное натяжение между маслом и водой, способствуя их смешиванию или образованию мелкодисперсной взвеси.
Однако в данном случае механизм оказался противоположным. Сильно намагниченные наночастицы никеля не уменьшали, а наоборот, увеличивали межфазное натяжение. Именно это повышенное натяжение заставляло границу раздела между маслом и водой изгибаться и принимать стабильную, характерную форму вазы.
Дэвид Хогланд поясняет детали на микроуровне: «Когда вы очень внимательно смотрите на отдельные наночастицы... вы можете получить чрезвычайно подробную информацию о том, как собираются различные формы. В данном случае частицы намагничены достаточно сильно, чтобы их сборка мешала процессу эмульгирования...»
Потенциал использования магнитных частиц в жидкостях отмечает и Энтони Рэйх: "... потому что можно создавать всевозможные интересные материалы с полезными свойствами, когда жидкость содержит магнитные частицы».
Результаты этого исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics. Они демонстрируют, как сильный магнетизм может вмешиваться в термодинамические процессы в системах мягкой материи и даже преобладать над ними.
Томас Рассел подчеркивает важность таких аномальных наблюдений: «Когда вы видите что-то, что не должно быть возможным, вы должны это исследовать». Обнаруженная «жидкость, восстанавливающая форму», представляет собой фундаментальное открытие.
На данный момент конкретных практических применений для этого явления не найдено. Тем не менее, открытие представляет собой, по сути, новое состояние вещества и имеет потенциал значительно повлиять на развитие физики мягкой материи, открывая новые пути для исследования и создания материалов с уникальными свойствами.
Открытие стало полной неожиданностью, поскольку противоречило устоявшимся принципам термодинамики, касающимся эмульгирования и межфазного натяжения. Обычно ожидается, что подобные смеси (эмульсии) либо смешиваются, либо разделяются иным образом под действием эмульгаторов, снижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Наблюдаемое же поведение казалось невозможным.
Энтони Рэйх вспоминает свою реакцию: "... в полной неожиданности смесь приняла эту прекрасную, безупречную форму вазы». Столкнувшись с необъяснимым, он искал ответы у коллег: «Я подумал: 'Что это такое?' И я ходил по коридорам... спрашивая их, знают ли они, что происходит».
Для разгадки потребовались совместные усилия. Эксперименты проводились в UMass Amherst, а компьютерное моделирование — в Университете Тафтса и Сиракузском университете. Ключевую роль в исследовании сыграли старшие авторы из UMass Amherst: Томас Рассел, заслуженный профессор полимерных наук и инженерии имени Сильвио О. Конте, и Дэвид Хогланд, профессор полимерных наук и инженерии, специализирующийся на мягких материалах.
Томас Рассел объясняет стандартный процесс эмульгирования на простом примере: «Представьте себе вашу любимую итальянскую салатную заправку...» Обычно компоненты вроде специй действуют как эмульгаторы, снижая межфазное натяжение между маслом и водой, способствуя их смешиванию или образованию мелкодисперсной взвеси.
Однако в данном случае механизм оказался противоположным. Сильно намагниченные наночастицы никеля не уменьшали, а наоборот, увеличивали межфазное натяжение. Именно это повышенное натяжение заставляло границу раздела между маслом и водой изгибаться и принимать стабильную, характерную форму вазы.
Дэвид Хогланд поясняет детали на микроуровне: «Когда вы очень внимательно смотрите на отдельные наночастицы... вы можете получить чрезвычайно подробную информацию о том, как собираются различные формы. В данном случае частицы намагничены достаточно сильно, чтобы их сборка мешала процессу эмульгирования...»
Потенциал использования магнитных частиц в жидкостях отмечает и Энтони Рэйх: "... потому что можно создавать всевозможные интересные материалы с полезными свойствами, когда жидкость содержит магнитные частицы».
Результаты этого исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics. Они демонстрируют, как сильный магнетизм может вмешиваться в термодинамические процессы в системах мягкой материи и даже преобладать над ними.
Томас Рассел подчеркивает важность таких аномальных наблюдений: «Когда вы видите что-то, что не должно быть возможным, вы должны это исследовать». Обнаруженная «жидкость, восстанавливающая форму», представляет собой фундаментальное открытие.
На данный момент конкретных практических применений для этого явления не найдено. Тем не менее, открытие представляет собой, по сути, новое состояние вещества и имеет потенциал значительно повлиять на развитие физики мягкой материи, открывая новые пути для исследования и создания материалов с уникальными свойствами.