Рідка матерія кидає виклик термодинаміці

У світі фізики м'якої матерії, де поведінка рідин, колоїдів та полімерів часто керується добре зрозумілими законами термодинаміки, іноді трапляються відкриття, що змушують переглянути усталені уявлення. Саме такий випадок стався в лабораторії Університету Массачусетса в Емгерсті (UMass Amherst), де аспірант-фізик випадково натрапив на нову, раніше не бачену поведінку рідини, яка, здається, суперечить фундаментальним принципам. Ця незвичайна суміш, що отримала назву «рідина, що відновлює форму», демонструє дивовижну здатність самостійно повертатися до певної елегантної конфігурації після будь-якого збурення.

Відкриття, детально описане 4 квітня у престижному науковому журналі Nature Physics, описує суміш олії, води та намагнічених частинок нікелю. Коли цю суміш струшують, замість того, щоб утворити тимчасову емульсію або розділитися на шари, вона послідовно та надійно перебудовується у форму, що нагадує витончені вигини античної грецької вази чи урни. Ця поведінка викликала здивування та зацікавлення серед досвідчених фізиків, які зрештою пов'язали це явище з незвично сильними магнітними взаємодіями між частинками, що докорінно змінюють спосіб взаємодії рідин.

Щоб зрозуміти, наскільки незвичайним є це відкриття, варто згадати про звичні нам емульсії. «Уявіть собі вашу улюблену італійську салатну заправку», — пропонує Томас Рассел, видатний професор полімерних наук та інженерії в UMass Amherst та один зі старших авторів статті. «Вона складається з олії, води та спецій. Перед тим, як полити нею салат, ви її струшуєте, щоб усі інгредієнти змішалися». У салатній заправці крихітні частинки спецій діють як емульгатори, допомагаючи олії та воді, які зазвичай не змішуються, тимчасово об'єднатися. Цей процес, відомий як емульгування, повністю підпорядковується законам термодинаміки: система прагне мінімізувати енергію на межі поділу фаз (міжфазну енергію), і частинки емульгатора допомагають цього досягти, зменшуючи міжфазний натяг. З часом, під дією гравітації та прагнення до найнижчого енергетичного стану, емульсія руйнується, і рідини знову розділяються.

Емульгування відіграє критичну роль у безлічі технологій далеко за межами кухні — від виробництва косметики та ліків до харчової промисловості та видобутку нафти. Аспірант Ентоні Рейх експериментував у лабораторії саме з науковою версією такої системи. Замість спецій він використовував намагнічені наночастинки нікелю. «Ви можете створювати різноманітні цікаві матеріали з корисними властивостями, коли рідина містить магнітні частинки», — пояснює Рейх мотивацію свого дослідження. Він приготував свою суміш, струсив її — «і, абсолютно несподівано, суміш утворила цю красиву, бездоганну форму урни». Ще більшим сюрпризом стало те, що ця форма поверталася щоразу, незалежно від того, наскільки енергійно він струшував ємність. Рідина демонструвала певну «пам'ять» форми, що абсолютно нехарактерно для простих сумішей рідин.

«Я подумав: „Що це таке?“ Тому я пройшовся коридорами факультету полімерних наук та інженерії, стукаючи у двері професорів, запитуючи, чи знають вони, що відбувається», — продовжує Рейх. Ніхто не міг одразу дати пояснення. Однак незвичне явище привернуло увагу професора Рассела та Девіда Хоугланда, ще одного професора полімерних наук та інженерії UMass Amherst, спеціаліста з м'яких матеріалів та другого старшого автора статті. Вони зрозуміли, що спостерігають щось принципово нове.

Щоб розгадати таємницю, команда провела серію ретельних експериментів та звернулася за допомогою до колег з Університету Тафтса та Сіракузького університету для створення комп'ютерних симуляцій. Спільними зусиллями дослідники дійшли висновку, що саме магнетизм, причому дуже сильний магнетизм на рівні наночастинок, є ключем до пояснення незбагненного явища, відкритого Рейхом.

«Коли ви дуже уважно розглядаєте окремі наночастинки намагніченого нікелю, що формують межу між водою та олією, — каже Хоугланд, — ви можете отримати надзвичайно детальну інформацію про те, як збираються різні структури. У цьому випадку частинки намагнічені настільки сильно, що їхнє самозбирання впорядкованим чином втручається в процес емульгування, який описується законами термодинаміки».

Зазвичай, додавання частинок до суміші олії та води зменшує натяг на межі поділу між двома рідинами, дозволяючи їм змішуватися. Але в даному випадку відбувається протилежне: частинки, які достатньо сильно намагнічені, насправді збільшують міжфазний натяг. Це перешкоджає утворенню крапель та змішуванню, натомість стабілізуючи межу поділу фаз. Більше того, сильні магнітні взаємодії між частинками вздовж цієї межі змушують її вигинатися певним чином, утворюючи ту саму стійку, елегантну криву, що нагадує вазу. Фактично, магнітні сили «згинають» правила термодинаміки, що керують емульгуванням, і диктують системі свою, енергетично вигідну за даних умов, конфігурацію.

«Коли ви бачите щось, що здається неможливим, ви зобов'язані це дослідити», — зазначає Рассел. Це відкриття є яскравим прикладом того, як фундаментальна наука може призвести до несподіваних результатів, що розширюють межі нашого розуміння природи.

Хоча на даний момент для цього нового відкриття ще немає очевидного практичного застосування, Ентоні Рейх та його колеги схвильовані перспективами. Вони прагнуть зрозуміти, як цей раніше не бачений стан матерії може вплинути на розвиток фізики м'якої матерії. Подальші дослідження можуть бути спрямовані на вивчення того, як можна контролювати форму рідини, змінюючи параметри частинок або зовнішні магнітні поля, а також на пошук інших систем, де сильні взаємодії між частинками можуть призводити до подібних незвичайних явищ самоорганізації та «пам'яті» форми. Це відкриття відкриває нові горизонти для створення «розумних» матеріалів з унікальними властивостями.