Физици създадоха невъзможни в природата течни форми - квадратни капчици и течни "кристални" решетки

Извеждането на системи от равновесие с електрически полета се оказва полезно за създаване на течни форми, които е почти невъзможно да се намерят в природата.

Когато се съберат две вещества, те в крайна сметка се установяват в стабилно състояние, наречено термодинамично равновесие. В ежедневието виждаме примери за това, когато олиото плува върху водата и когато млякото се смесва равномерно в кафе. Изследователи от университета Аалто във Финландия искаха да нарушат този вид състояние, за да видят какво се случва - и дали могат да контролират резултата.

„Нещата в равновесие са доста скучни“, коментира професор Яакко Тимонен (Jaakko Timonen), чиято изследователска група извърши нова работа, публикувана в Science Advances.

Вълнуващо е да извадите системите от равновесие и да видите дали неравновесните структури могат да бъдат контролирани или полезни. Самият биологичен живот е добър пример за наистина сложно поведение в молекули извън термодинамичното равновесие.

В работата си екипът използва комбинации от масла с различни диелектрични константи и проводимост. След това подлагат течностите на електрическо поле.

„Когато включим електрическо поле над сместа, електрическият заряд се натрупва на границата между маслата. Тази плътност на заряда изважда границата извън термодинамичното равновесие и я превръща в интересни образувания“, обяснява д-р Никос Кириакопулос (Nikos Kyriakopoulos), един от авторите на статията.

Освен че се нарушава равновесието от електрическото поле, течностите се затварят в тънък, почти двуизмерен лист. Тази комбинация довежде до оформяне на маслата в различни напълно неочаквани капчици и патерни.

Капките в експеримента могат да бъдат превърнати в квадратчета и шестоъгълници с прави страни, което е почти невъзможно в природата, където малките мехурчета и капчици са склонни да образуват сфери. Двете течности могат също така да се превърнат в взаимосвързани решетки - катива  модели се срещат редовно в твърдите материали (например кристалните решетки, но са невиждани в течните смеси. Течностите могат дори да бъдат принудени да образуват тор (поничка), форма, която е стабилна и запазва формата си, докато се прилага полето - за разлика от природата, където течностите имат силна тенденция да колапсират и да запълват дупката в центъра. Течностите също могат да образуват нишки, които се въртят и усукват около оста си.

_{Кредит: Geet Raju et al.}

„Всички тези странни форми са причинени и поддържани от това, че им е попречено да колапсират обратно в равновесие от движението на електрическите заряди, натрупани на праницата“, от отбелязва Гийт Раджу (Geet Raju), първи автор на статията.

Един от вълнуващите резултати от тази работа е възможността да се създават временни структури с контролиран и добре определен размер, които могат да се включват и изключват с напрежение, област, която изследователите се интересуват от по-нататъшно проучване за създаване на оптични устройства, контролирани с волтаж. Друг потенциален резултат е способността да се създават взаимодействащи популации от подвижни микрофиламенти и микрокапчици, които на някакво елементарно ниво имитират динамиката и колективното поведение на микроорганизми като бактерии и микроводорасли, които се задвижват, използвайки напълно различни механизми.

Справка: “Diversity of non-equilibrium patterns and emergence of activity in confined electrohydrodynamically driven liquids” by Geet Raju, Nikos Kyriakopoulos and Jaakko V. I. Timonen, 15 September 2021, Science Advances. DOI 10.1126/sciadv.abh1642

Източник: Creating Liquid Shapes That Are Nearly Impossible To Find in Nature: Physicists Make Square Droplets and Liquid Lattices
Aalto University

Още по темата

26/08/2021

Животът

Произходът на странните свойства на водата. Първо директно наблюдение на микро ниво

20/08/2021

Физика

2D „свръхфлуидно твърдо тяло“, което тече без триене, е създадено за първи път

08/01/2017

Животът

Кората на портокала изстрелва капчици с космическо ускорение (видео)