Физики впервые получили квадратные капли жидкости
Воздействуя на смесь масел с помощью электрических полей, ученые получили в жидкостях структуры, больше свойственные твердым телам — квадратные и многоугольные капли, а также подобие кристаллической решетки. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Вещества, которые мы видим в повседневной жизни, находятся в состоянии термодинамического равновесия. При соединении двух разных жидкостей они через некоторое время приходят в такое стабильное термодинамическое состояние — например, молоко полностью растворяется в кофе, а масло не смешивается с водой, а плавает по ее поверхности.
Физики из Университета Аалто в Финляндии решили посмотреть, как будут вести себя жидкости, если их "зафиксировать" в нестабильном состоянии, до того, как они придут к термодинамическому равновесию.
«Вещи в состоянии равновесия, как правило, довольно скучны, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования, профессоракафедры прикладной физики Яакко Тимонена (Jaakko Timonen). — Интересно выводить системы из состояния равновесия и смотреть, можно ли управлять неравновесными структурами или насколько они могут быть полезными. Сама биологическая жизнь является хорошим примером сложного поведения групп молекул, находящихся вне термодинамического равновесия».
В своей работе ученые использовали комбинации масел с разной проводимостью и диэлектрической проницаемостью.
«Когда мы включаем электрическое поле над такой смесью, электрический заряд накапливается на границе раздела между маслами. Эта плотность заряда выводит границу раздела из термодинамического равновесия и превращает ее в интересные образования», — объясняет один из авторов статьи, доктор Никос Кириакопулос (Nikos Kyriakopoulos).
На границе раздела жидкостей сформировался двумерный слой, в котором ученые фиксировали образование совершенно неожиданных капель и узоров. Меняя характеристики приложенного электрического поля, исследователи получили капли в форме квадратов или шестиугольников, с прямыми сторонами, что невозможно в природе, где пузыри и капли имеют тенденцию образовывать сферы. Две жидкости также можно было «заставить» образовывать взаимосвязанные решетки — сетчатые узоры, которые регулярно встречаются в твердых материалах, но не встречаются в жидких смесях.
Авторам удалось получить и совсем экзотические формы, например, сформировать из жидкостей тор — фигуру в виде пончика, который сохранял свою форму в течение всего периода приложения поля. В обычных условиях, как известно, такой пончик сразу же схлопнулся бы, так как жидкость не может иметь внутри себя незаполненные отверстия. Еще ученые смогли вытянуть жидкости в нити, которые катались или вращались вокруг своей оси.
«Все эти странные формы созданы и поддерживаются за счет того, что они не могут вернуться в равновесие из-за движения электрических зарядов, накапливающихся на границе раздела двух жидкостей», — объясняет первый автор статьи Гит Раджу (Geet Raju), сотрудник группы исследования активного вещества, возглавляемой профессором Тимоненом.
Авторы отмечают, что им впервые удалось создать временные структуры с контролируемыми и четко определенными размером и формой, которые можно «включать» и «выключать» с помощью перемены напряжения.