Wszystko zaczęło się od prostego eksperymentu. Anthony Raykh, doktorant kierunku nauki o polimerach i inżynierii na Uniwersytecie Massachusetts Amherst, badał zachowanie mieszaniny oleju, wody i cząstek niklu w probówce. Jego celem było wytworzenie typowej emulsji – niestabilnego układu dwóch niemieszających się cieczy.
Jednak to, co wydarzyło się po wstrząśnięciu próbki, zaskoczyło nie tylko jego, ale i cały zespół badawczy. Zamiast standardowego oddzielenia się cieczy na dwie warstwy, mieszanina uporczywie przyjmowała kształt przypominający klasyczną grecką amforę. Co więcej, efekt ten powtarzał się przy każdym kolejnym wstrząśnięciu.
Czytaj też: Fizycy przewidują mutacje genetyczne. Druga zasada termodynamiki zaskakuje
Prof. Thomas Russell, współautor badania, przyznał w rozmowie z Live Science:
To naprawdę dziwne. Nie tylko dlatego, że mieszanina nie wracała do prostszego, chaotycznego stanu, ale też dlatego, że wydawała się naruszać jedną z podstawowych zasad fizyki – zasadę minimalizacji energii powierzchniowej.
Ten płyn zachowuje się dziwnie, ale wcale nie łamie praw termodynamiki
Zgodnie z klasyczną termodynamiką, układ dąży do stanu o najniższej energii. W emulsjach, takich jak mieszaniny oleju i wody, oznacza to tworzenie kulistych kropelek, które mają najmniejszą możliwą powierzchnię styku między cieczami. Sfery są bowiem geometryczną formą o minimalnej powierzchni przy zadanej objętości.
Czytaj też: Ten obiekt kosmiczny nie powinien istnieć. Jasność ULX łamie znane prawa fizyki
W przypadku “płynu amforowego”, powierzchnia styku była znacznie większa niż w przypadku prostych kropel, co – przynajmniej na pierwszy rzut oka – sugerowało naruszenie podstawowych zasad rządzących energią układów fizycznych. Jak zauważył prof. Russell, taka sytuacja jest “naprawdę niezwykła”, bo standardowe procesy separacji powinny wymuszać zupełnie inny, bardziej chaotyczny rezultat.
Dalsze badania opisane w Nature Physics pozwoliły odkryć, że nietypowe zachowanie cieczy wynikało z magnetycznych właściwości cząstek niklu zawartych w mieszaninie. Cząstki te wytwarzały tzw. dipole magnetyczne – pary przeciwnych biegunów magnetycznych, które przyciągały się wzajemnie, układając się w strukturę przypominającą łańcuchy na powierzchni cieczy.
Te “łańcuchy” z cząstek zakłócały naturalne procesy dążenia do minimalnej powierzchni międzyfazowej. W efekcie emulsja była zmuszona do przyjmowania formy o większej powierzchni styku – charakterystycznego kształtu przypominającego grecką amforę. Jak wyjaśnił prof. Russell, to właśnie magnetyczne oddziaływania na poziomie cząstek “przejęły kontrolę” nad procesem separacji cieczy, tworząc nietypowy, stabilny kształt.
Mimo że zachowanie płynu wydawało się przeczyć prawom termodynamiki, w rzeczywistości ich nie naruszało. To po prostu nietypowy przypadek ich działania. Termodynamika opisuje, jak systemy fizyczne zachowują się w skali makroskopowej, ale nie zawsze uwzględnia nietypowe, lokalne oddziaływania na poziomie pojedynczych cząstek.
Magnetyczne oddziaływania cząstek niklu zmieniały energetykę lokalną układu, wpływając na wynikowy kształt, ale nie naruszały fundamentalnych zasad opisujących całość układu. To subtelne, ale kluczowe rozróżnienie pokazuje, jak złożone potrafią być procesy w układach wieloskładnikowych i jak daleko sięga nasze obecne rozumienie praw przyrody.
Choć początkowo odkrycie miało charakter czysto przypadkowy, może mieć daleko idące konsekwencje. Manipulowanie interakcjami magnetycznymi w emulsjach otwiera możliwość tworzenia nowych materiałów, które będą w stanie przybierać zaprogramowane kształty lub dynamicznie zmieniać strukturę w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. To z kolei może znaleźć zastosowanie m.in. w samonaprawiających się powłokach ochronnych, precyzyjnym dostarczaniu leków czy materiałach adaptacyjnych reagujących na zmieniające się warunki.