Рідкий стан речовини ставить під сумнів основи термодинаміки.

Фізики несподівано виявили рідину, здатну відновлювати форму вази, ставлячи під сумнів основи термодинаміки. Ця унікальна суміш олії, води та магнітних часток, завдяки потужному магнетизму, завжди повертається до свого первісного стану.

У сфері фізики м'яких матеріалів, де рідини, колоїди та полімери підпорядковуються зрозумілим законам термодинаміки, іноді відбуваються відкриття, що змушують переосмислити традиційні концепції. Один з таких випадків стався в лабораторії Університету Массачусетса в Емгерсті (UMass Amherst), де аспірант-фізик випадково виявив нову, раніше невідому поведінку рідини, яка здається суперечить основним принципам. Ця незвичайна суміш, названа "рідиною, що відновлює форму", має вражаючу здатність автоматично повертатися до певної елегантної конфігурації після будь-якого зовнішнього впливу.

Відкриття, яке було детально викладене 4 квітня в авторитетному науковому журналі Nature Physics, стосується суміші олії, води та намагнічених нікелевих частинок. Під час струшування цієї суміші замість очікуваного утворення тимчасової емульсії або поділу на шари, вона незвично та стабільно трансформується у форми, що нагадують витончені силуети стародавньогрецьких ваз або урн. Ця незвичайна поведінка викликала велике захоплення серед фізиків, які зрештою з'ясували, що вона пов'язана з надзвичайно потужними магнітними взаємодіями між частинками, які кардинально змінюють традиційні уявлення про взаємодію 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 має важливе значення в багатьох сферах, що виходять далеко за межі кулінарії – від виробництва косметичних засобів і медикаментів до харчової промисловості та нафтогазової галузі. Аспірант Ентоні Рейх проводив дослідження в лабораторії, зосередившись на науковій версії цієї технології. Замість звичних спецій він використовував магнітні наночастинки нікелю. "Коли рідина містить магнітні частинки, можна створювати різноманітні цікаві матеріали з унікальними властивостями", – ділиться Рейх, пояснюючи мету свого дослідження. Після приготування своєї суміші та енергійного струсу він був вражений: "Суміш утворила цю чудову, ідеальну форму урни". Ще більш вражаючим стало те, що ця форма зберігалася незалежно від сили струсу, виявляючи певну "пам'ять" про свою конфігурацію, що є абсолютно нехарактерним для звичайних рідинних сумішей.

"Я задумався: 'Що ж це таке?'" - ділиться своїми думками Рейх. Він вирушив коридорами факультету полімерних наук та інженерії, стукаючи у двері викладачів і запитуючи, чи не знають вони, що відбувається. Ніхто не зміг одразу знайти відповідь. Проте незвичайне явище привернуло увагу професора Рассела та Девіда Хоугланда, ще одного викладача з UMass Amherst, який спеціалізується на м'яких матеріалах і є другим автором статті. Вони усвідомили, що стали свідками чогось по-справжньому новаторського.

Для того щоб розкрити загадку, команда здійснила низку детальних експериментів та звернулася за підтримкою до колег з Університету Тафтса та Сіракузького університету для розробки комп'ютерних симуляцій. Завдяки спільним зусиллям вчені дійшли висновку, що саме потужний магнетизм на рівні наночастинок є вирішальним фактором для розуміння таємничого явища, яке було виявлено 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, введення частинок до суміші олії та води знижує натяг на межі між цими рідинами, що сприяє їх змішуванню. Однак у даному випадку спостерігається інша картина: достатньо намагнічені частинки фактично підвищують міжфазний натяг. Це ускладнює утворення крапель і заважає змішуванню, замість цього стабілізуючи межу між фазами. Більше того, інтенсивні магнітні взаємодії між частинками на цій межі спричиняють її вигинання певним чином, формуючи елегантну криву, що нагадує вазу. Таким чином, магнітні сили "змінюють" традиційні термодинамічні правила емульгування, нав'язуючи системі свою енергетично вигідну конфігурацію в даних умовах.

"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.