Вещества, которые мы видим, находятся в состоянии термодинамического равновесия. И когда два вещества соединяются вместе, они тоже в итоге переходят в это устойчивое состояние. Например, молоко полностью растворяется в кофе, а масло не смешивается с водой, а плавает по её поверхности.
Физики из финского университета Аалто решили проверить, что получится при попытке расшатать это равновесие, а заодно научиться управлять этими процессами или хотя бы фиксировать вещества в нестабильном состоянии. О результатах они рассказали в журнале Science Advances.
"Вещества, пребывающие в равновесии, выглядят довольно скучно", – отметил Яакко Тимонен, один из исследователей. "Выводить системы из состояния равновесия и смотреть, можно ли управлять неравновесными структурами гораздо интереснее. Биологическая жизнь сама по себе является удачным примером сложного поведения группы молекул, находящихся вне термодинамического равновесия".
Для эксперимента физики использовали комбинацию масел с разной диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Жидкости поместили между двумя водонепроницаемыми поверхностями, чтобы придать им квазидвумерное состояние, а затем подвергли воздействию электрического поля. Эта комбинация привела к трансформации масел в совершенно неожиданные капли и узоры.
"При включении электрического поля над такой смесью, электрический заряд накапливается на границе раздела между маслами. Из-за этого граница раздела выходит из термодинамического равновесия и можно увидеть самые неожиданные формы." — так объяснил происходящее один из исследователей.
Меняя характеристики электрического поля, физики придавали каплям формы квадратов или шестиугольников, с прямыми сторонами, что практически невозможно в природе, где пузырьки и капли стремятся принять форму сферы. Две жидкости можно было "заставить" образовывать взаимосвязанные решётки — сетчатые узоры, которые характерны для твёрдых материалов, но не для жидкостей.
Исследователям удалось придать жидкости и более экзотические формы. Например, фигуру в виде пончика (тор), которая сохранял свою форму в течение всего периода воздействия электрического поля. В обычных условиях жидкость не может иметь внутри себя незаполненные отверстия, так что этого просто не случилось бы. Также учёные смогли придать жидкости форму нити, вращающейся вокруг своей оси.
Все эти необычные формы жидкости принимают из-за того, что не могут вернуться в равновесие — им мешают это сделать электрические заряды, накапливающиеся на границе раздела. Фактически учёные впервые смогли создать контролируемые структуры с заданными размером и формой, которые можно "включать" и "выключать", используя перемену напряжения.
В чём здесь интерес? Во-первых, открытие может помочь в создании новых оптических устройств, использующих электрическое поле. Во-вторых, учёные получили возможность создавать взаимодействующие популяции микронитей и микрокапель, которые на элементарном уровне повторяют поведение микроорганизмов: бактерий и одноклеточных водорослей.
