Квадратные капли и жидкие решётки: физики научились управлять жидкостью

Воздействие электрического поля выводит жидкости из термодинамического равновесия.

Воздействие электрического поля выводит жидкости из термодинамического равновесия.
Фото Aalto University.

Воздействие электрического поля выводит жидкости из термодинамического равновесия.

Когда два вещества сталкиваются друг с другом в естественных условиях, они постепенно приходят в относительно стабильное состояние, которое называют термодинамическим равновесием.

Так холодное молоко, попадая в горячий кофе, постепенно смешивается с ним, образуя в чашке вещество с однородным цветом и температурой.

"Вещи, пребывающие в равновесии, обычно довольно скучные", – отмечает ведущий автор работы Яакко Тимонен (Jaakko Timonen) из Университета Аалто в Финляндии.

Финские физики решили немного "расшатать" равновесие естественных систем и посмотреть, что из этого получится. Также исследователи хотели научиться управлять полученным результатом.

"Выводить системы из равновесия и наблюдать, можно ли контролировать неравновесные структуры, очень увлекательно, – поделился Тимонен. – Биологическая жизнь сама по себе является хорошим примером истинно сложного поведения группы молекул, находящихся вне термодинамического равновесия".

В своей работе исследовательская группа использовала комбинацию масел с разной диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Их поместили между двумя плоскими водонепроницаемыми поверхностями, чтобы придать им квазидвумерное состояние. Затем вещество подвергли воздействию электрического поля.

Как объясняют авторы работы, "электрический заряд накапливается на границе раздела между маслами". Это выводит границы веществ из термодинамического равновесия, что придаёт каплям масла самые неожиданные формы.

В природе, когда сила тяжести не действует на жидкость, та принимает свою естественную шарообразную форму (да, у жидкости на самом деле есть форма).

В данном эксперименте капли масла принимали форму квадратов и правильных шестиугольников, что практически невозможно в природе.

Две жидкости даже удалось заставить сформировать связанные решётки: сетчатые структуры, которые обычно можно встретить в твёрдых материалах, но никак не в жидкостях.

Исследователи смогли также придать жидкостям форму тора, или пончика, которая оставалась стабильной и удерживала форму, пока на неё воздействовало электрическое поле. В природе жидкости на такие "чудеса" не способны, они всегда стремятся заполнить пустоту, образовавшуюся в центре.

Жидкости в эксперименте также принимали нитевидную форму, перекатываясь и вращаясь вокруг своей оси.

Зачем учёным нужны все эти фокусы с веществом? Они получили возможность создавать временные структуры контролируемого и чётко определённого размера, которые можно включать и отключать с помощью электрического напряжения. В дальнейшем это может пригодиться для создания управляемых напряжением оптических устройств.

Также теперь у исследователей есть возможность создавать взаимодействующие популяции вращающихся микронитей и микрокапель, которые повторяют поведение микроорганизмов наподобие бактерий и одноклеточных водорослей.

Работа финских учёных была опубликована в издании Science Advances.

Напомним, ранее мы рассказывали о создании первого искусственного молекулярного насоса. Также мы писали о том, что инженеры научились дистанционно манипулировать каплей жидкого металла и что физики доказали существование новой формы воды – суперионного льда.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".