Законы термодинамики под вопросом? Найдена жидкость, которая сама восстанавливает форму

Учёные из Массачусетского университета (UMass Amherst) зафиксировали явление, которое бросает вызов привычным представлениям о поведении жидкостей. В лабораторных условиях смесь воды и масла с добавлением магнитных наночастиц после встряхивания самопроизвольно возвращается к строго определенной форме — изящной «амфоры». Этот эффект, названный «жидкостью с памятью», не вписывается в классическую термодинамику и открывает новую главу в физике мягких материалов.

Случайность, перевернувшая эксперимент

Открытие произошло случайно. Аспирант-физик Энтони Рэйх проводил рутинный эксперимент по созданию эмульсии. Вместо обычных эмульгаторов (как в салатной заправке) он использовал наночастицы никеля, чтобы придать смеси магнитные свойства. После энергичного встряхивания пробирки вместо мутной взвеси он увидел четкую, симметричную форму урны. Удивленный, он повторил процедуру — результат оказался идентичным. Форма восстанавливалась снова и снова.

Магнитная «кожа» вместо хаоса

Для объяснения феномена потребовалось привлечь коллег из смежных областей и построить сложные компьютерные модели. Ключ к разгадке — в аномальном поведении никелевых частиц на границе раздела сред. В обычной эмульсии частицы-эмульгаторы снижают межфазное натяжение, позволяя жидкостям смешиваться. В случае с магнитными частицами происходит обратное: они не уменьшают, а увеличивают натяжение. Выстраиваясь в упорядоченную структуру, они формируют на границе масла и воды упругую «кожу». Эта «кожа» под действием сил поверхностного натяжения принимает энергетически наиболее выгодную форму — ту самую амфору. Встряхивание временно разрушает структуру, но магнитные взаимодействия заставляют её восстановиться.

Это не нарушение второго закона термодинамики, который постулирует стремление системы к хаосу. В данном случае сильные магнитные силы доминируют над энтропией, приводя систему к иному, ранее неизвестному стабильному состоянию. Как отметил профессор Томас Рассел, один из руководителей исследования, «когда видишь то, что кажется невозможным, это необходимо исследовать».

Прямого прикладного применения у открытия пока нет. Тем не менее, оно демонстрирует новые принципы самоорганизации материи на наноуровне. В перспективе эффект может лечь в основу создания самовосстанавливающихся покрытий, «умных» смазочных материалов или систем адресной доставки лекарств.