Физики открыли жидкость, нарушающую законы термодинамики

Фото из открытых источников

Группа исследователей из Массачусетского университета в Амхерсте недавно сделала удивительное открытие, открыв так называемую «жидкость, восстанавливающую форму», которая бросает вызов некоторым давним ожиданиям, вытекающим из законов термодинамики.

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

«Представьте себе вашу любимую итальянскую заправку для салата», — говорит Томас Рассел, заслуженный профессор полимерной науки и инженерии имени Сильвио О. Конте в Массачусетском университете в Амхерсте и один из ведущих авторов статьи. «Она состоит из масла, воды и специй, и перед тем, как вылить ее в салат, вы встряхиваете ее, чтобы все ингредиенты смешались». Именно эти специи, эти маленькие кусочки чего-то еще, позволяют смешиваться воде и маслу, которые обычно являются взаимоисключающими, в процессе, называемом эмульгированием, который описывается законами термодинамики.

Эмульгирование лежит в основе широкого спектра технологий и приложений, выходящих далеко за рамки приправ, и однажды Энтони Райх из Массачусетского университета был в лаборатории, смешивал партию этой научной «заправки для салата», чтобы посмотреть, что он может создать — только вместо специй он использовал намагниченные частицы никеля, «потому что вы можете проектировать всевозможные интересные материалы с полезными свойствами, когда жидкость содержит магнитные частицы», — говорит Райх. Он приготовил свою смесь, встряхнул ее — «и, к полному удивлению, смесь образовала эту прекрасную, первозданную форму урны». Независимо от того, сколько раз или как сильно он встряхивал, форма урны всегда возвращалась.

«Я подумал: «Что это за штука?». Поэтому я ходил взад-вперед по коридорам факультета полимерной науки и инженерии, стучался в двери своих профессоров и спрашивал их, знают ли они, что происходит», — продолжает Райх. Никто не знал. Но это привлекло внимание Рассела и Дэвида Хогланда, профессора полимерной науки и инженерии в Массачусетском университете в Амхерсте, другого соавтора статьи и специалиста по мягким материалам.

Команда провела эксперименты и обратилась к коллегам из университетов Тафтса и Сиракьюса для создания симуляций. Совместные усилия определили, что магнетизм, сильный магнетизм, объясняет необъяснимое явление, которое открыл Райх.

«Если очень внимательно посмотреть на отдельные наночастицы намагниченного никеля, которые образуют границу между водой и маслом, — говорит Хогланд, — можно получить чрезвычайно подробную информацию о том, как собираются различные формы. В этом случае частицы намагничены достаточно сильно, чтобы их сборка мешала процессу эмульгирования, который описывают законы термодинамики».

Обычно частицы, добавляемые в смесь масла и воды, уменьшают натяжение на границе раздела двух жидкостей, позволяя им смешиваться. Но, в свою очередь, частицы, которые достаточно сильно намагничены, на самом деле увеличивают натяжение на границе раздела, изгибая границу между маслом и водой в изящную кривую.

«Когда вы видите что-то, что не должно быть возможным, вам нужно провести расследование», — говорит Рассел.

Хотя его новое открытие пока не нашло применения, Райх с нетерпением ждет возможности увидеть, как это невиданное ранее состояние может повлиять на область физики мягкой материи.