16
Студент случайно создал жидкость с памятью формы нарушающую законы термодинамики
В лаборатории Университета Массачусетса в Амхерсте произошло невероятное: обычный эксперимент с эмульсией привел к открытию жидкости, которая восстанавливает сложную форму вопреки фундаментальным физическим законам. Это открытие может переписать учебники по материаловедению и найти применение в мягкой робототехнике, медицине и энергетике.
Неожиданный артефакт в пробирке
Антони Райх, аспирант кафедры полимерных наук, изучал поведение смеси масла, воды и магнитных частиц никеля. При встряхивании пробирки вместо ожидаемого расслоения жидкость сформировала структуру, напоминающую античную амфору. Повторные попытки разрушить форму не увенчались успехом — эмульсия каждый раз возвращалась к исходной конфигурации.
«Это противоречит всему, что мы знаем о поверхностном натяжении. Эмульсии стремятся минимизировать площадь контакта фаз, образуя сферы, а не сложные геометрии», — пояснил профессор Томас Рассел, соавтор исследования.
Где нарушаются законы термодинамики
Классическая термодинамика предсказывает, что системы в равновесии стремятся к состоянию с минимальной свободной энергией. Для жидкостей это означает:
Капли принимают сферическую форму (наименьшая площадь поверхности при заданном объеме)
Несмешивающиеся жидкости расслаиваются с четкой границей
Энтропия системы должна возрастать
Однако «амфора» Райха демонстрировала на 40% бóльшую площадь поверхности, чем сфера, и сохраняла структуру вопреки тепловым флуктуациям. Причина — в уникальном поведении магнитных частиц.
Магнитный скелет жидкости
Сканирующая электронная микроскопия выявила механизм аномалии:
Частицы никеля образуют диполи под действием магнитного поля Земли
Диполи выстраиваются в цепочки длиной до 50 мкм
Сеть цепочек создает «каркас», стабилизирующий форму
Энергия магнитного взаимодействия (10⁻¹⁸ Дж на частицу) компенсирует увеличение поверхностной энергии, что позволяет системе обходить классические ограничения. Это первый известный пример макроскопического нарушения второго начала термодинамики в мягких средах.
Перспективы и аналоги в природе
Похожие процессы наблюдаются в биологических системах:
Бактерии Magnetotacticum формируют магнитные цепи для навигации
Белки-прионы сохраняют конформацию без энергозатрат
Микротрубочки цитоскелета демонстрируют структурную память
Практические применения разработки включают:
Самовосстанавливающиеся гидрогели для доставки лекарств
Адаптивные жидкие линзы в камерах
Магнитоуправляемые топливные элементы
Эксперимент повторен в 17 лабораториях мира, включая МФТИ и Институт химической физики РАН. Статья опубликована в Nature Physics с индексом цитирования Q1.
yaplakal.com