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

Мы привыкли к тому, что мир вокруг нас подчиняется определённым правилам. Вода закипает при ста градусах (ну, почти), яблоки падают вниз, а масло и вода… ну, они не смешиваются. По крайней мере, не сами по себе. Бросьте их в одну банку, встряхните — и через мгновение увидите знакомую картину: масло всплывёт, вода осядет. Это физика, детка! Точнее, термодинамика — наука о энергии, тепле и том, как всё стремится к равновесию и, честно говоря, некоторому беспорядку.

Но что, если я скажу вам, что где-то в лаборатории Массачусетского университета эта привычная картина мира дала трещину? Представьте: смесь масла и воды, которую сколько ни тряси, она упорно возвращается к одной и той же изящной форме, напоминающей древнегреческую амфору. Звучит странно? Ещё бы!

А что, если?.. С чего всё началось

Всё началось с эксперимента, который проводил Энтони Рэйх, аспирант-физик. Его задача была, в общем-то, довольно стандартной для его области: создать эмульсию. Представили салатную заправку? Масло, уксус (или вода), специи. Специи тут не для вкуса (хотя и для него тоже), а как эмульгатор — вещество, которое помогает несмешиваемым жидкостям подружиться и образовать более-менее однородную смесь.

Рэйх делал нечто похожее, только вместо кулинарных специй он использовал наночастицы никеля. Зачем? А потому что жидкости с магнитными частицами — это целое поле для исследований! Из них можно создавать материалы с удивительными свойствами, управляемые магнитным полем. Перспективно, правда?

И вот он смешал свои ингредиенты, как следует встряхнул… и вместо ожидаемой мутной эмульсии увидел её. Идеальную, симметричную форму урны. Он попробовал снова. И снова. Результат был тот же. Форма упорно восстанавливалась.

Знаете, каково это — увидеть в пробирке то, чего, по идее, быть не должно? Рэйх, по его словам, обошел чуть ли не весь факультет, стучась в двери профессоров с вопросом: «Что это такое?». Оказалось, никто с таким раньше не сталкивался. Но загадка зацепила опытных исследователей — Томаса Рассела и Дэвида Хогланда, специалистов по полимерам и мягким материалам. Стало ясно: тут что-то интересное.

Магнетизм против термодинамики?

Так в чём же фокус? Почему эта смесь ведёт себя так вызывающе, игнорируя привычные нам законы? Чтобы разобраться, пришлось подключать коллег из других университетов, строить сложные компьютерные модели. И ответ нашёлся. Виной всему — магнетизм. Но не просто магнетизм, а сильный магнетизм этих самых никелевых наночастиц.

Вот как это работает обычно (с теми же специями в заправке): частицы-эмульгаторы оседают на границе между маслом и водой и как бы сглаживают напряжение между ними. Говоря научным языком, они уменьшают межфазное натяжение. Это позволяет капелькам одной жидкости легче проникать в другую, образуя эмульсию. Термодинамика это одобряет — система приходит к более стабильному состоянию.

А что происходит с нашими магнитными частицами? А они делают всё наоборот! Будучи сильно намагниченными, они не уменьшают, а, представьте себе, увеличивают напряжение на границе раздела! Они выстраиваются определённым образом, создавая своего рода упругую «кожу» между маслом и водой. И эта «кожа» под действием сил натяжения принимает энергетически выгодную форму — ту самую форму урны. И держит её! Встряхивание лишь временно разрушает структуру, которая потом сама собой восстанавливается.

Переписываем учебники? Ну, пока нет…

Звучит почти как научная ересь, не так ли? Ведь второй закон термодинамики, грубо говоря, гласит, что системы стремятся к увеличению хаоса (энтропии). А тут — самопроизвольное возникновение упорядоченной структуры! Но никакого нарушения законов тут нет. Просто в дело вступают другие силы — сильные магнитные взаимодействия — которые в данном конкретном случае оказываются доминирующими и приводят систему к другому стабильному состоянию, которое раньше просто не наблюдали.

Это открытие — яркий пример того, что наука не стоит на месте. То, что казалось незыблемым правилом, может оказаться лишь частным случаем более сложной картины. Как сказал профессор Рассел, «когда видишь то, что кажется невозможным, это необходимо исследовать».

Заглядывая за горизонт

Пока что у этой «жидкости с памятью» нет конкретного применения. Это не тот случай, когда завтра мы увидим её в каждом доме. Но для физики мягких сред, для науки о материалах — это открытие может стать очень важным. Оно показывает, как необычно могут вести себя системы на наноуровне, и открывает новые пути для создания материалов с заранее заданными свойствами.

Кто знает, может быть, через несколько лет мы увидим технологии, основанные на этом принципе? Самовосстанавливающиеся покрытия? Новые способы доставки лекарств? Пока это лишь догадки. Но одно ясно точно: мир вокруг нас всё ещё полон загадок, и даже такая простая вещь, как смесь масла и воды, может преподнести сюрприз, заставив учёных по-новому взглянуть на, казалось бы, давно изученные явления. И это, пожалуй, самое увлекательное в науке!