این مایع که خودبه‌خود شکل می‌گیرد، قوانین ترمودینامیک را به چالش می‌کشد!

یکی از دانشجویان دانشگاه ماساچوست آمهرست، به‌طور اتفاقی رفتار جدید و عجیبی را در یک مایع کشف کرد که به‌نظر می‌رسد قوانین ترمودینامیک را نقض می‌کند. او در حین آزمایش با روغن، آب و ذرات مغناطیسی نیکل، متوجه شد که مهم نیست مخلوط را چقدر هم بزند، همیشه به همان شکل زیبای کوزه‌ای برمی‌گردد. این رفتار کنجکاوی فیزیکدانان را برانگیخت و در نهایت علت آن را در مغناطیس بسیار قوی‌ای یافتند که نحوه تعامل مایعات را تغییر می‌دهد. اگرچه این کشف کاربرد فوری ندارد، اما مرزهای جدیدی را در علم ماده نرم باز می‌کند.

یک کشف شگفت‌انگیز در ماده نرم!

تیمی از محققان، به رهبری یکی از دانشجویان فیزیک در دانشگاه ماساچوست آمهرست، نوع جدید و شگفت‌انگیزی از مایع را کشف کرده‌اند که آن را “مایع بازیابنده شکل” می‌نامند. به‌نظر می‌رسد این مخلوط غیرمعمول، ایده‌های دیرینه ریشه در قوانین ترمودینامیک را به چالش می‌کشد. یافته‌های آنها که در 4 آوریل در مجله Nature Physics منتشر شد، مخلوطی از روغن، آب و ذرات مغناطیسی را توصیف می‌کند که هنگام تکان دادن، به‌طور مداوم به شکلی شبیه منحنی‌های زیبای یک کوزه یونانی تبدیل می‌شود.

توماس راسل، استاد برجسته علوم و مهندسی پلیمر در دانشگاه ماساچوست آمهرست و یکی از نویسندگان ارشد این مقاله، می‌گوید:

تصور کنید سس سالاد ایتالیایی مورد علاقه‌تان را که از روغن، آب و ادویه‌جات تشکیل شده است و قبل از اینکه آن را روی سالاد بریزید، آن را تکان می‌دهید تا تمام مواد با هم مخلوط شوند. در سس سالاد، ذرات ریز ادویه به روغن و آب کمک می‌کنند تا به‌طور موقت در فرآیندی به نام امولسیون، که توسط اصول ترمودینامیک اداره می‌شود، مخلوط شوند.

تغییر مغناطیسی در یک آزمایش کلاسیک

امولسیون نقش مهمی در بسیاری از فناوری‌ها فراتر از آشپزخانه ایفا می‌کند. آنتونی رایخ، در آزمایشگاه با نسخه علمی سس سالاد آزمایش می‌کرد، با این تفاوت که به جای ادویه، از ذرات مغناطیسی نیکل استفاده کرد، «زیرا وقتی مایعی حاوی ذرات مغناطیسی باشد، می‌توانید انواع مواد جالب با خواص مفید را مهندسی کنید.» رایخ می‌گوید. او مخلوط خود را ساخت، آن را تکان داد – «و در یک شگفتی کامل، مخلوط این شکل کوزه‌ای زیبا و بکر را به خود گرفت.» شگفت‌انگیزتر اینکه، هر بار همان شکل برمی‌گشت، مهم نیست چقدر شدید آن را تکان می‌داد!

رایخ ادامه می‌دهد:

با خودم فکر کردم این چیست؟ بنابراین، در راهروهای بخش علوم و مهندسی پلیمر قدم زدم و در اتاق اساتیدم را زدم و از آنها پرسیدم که آیا می‌دانند چه خبر است. هیچ‌کس نمی‌دانست. اما توجه راسل و دیوید هوگلند، استاد علوم و مهندسی پلیمر در دانشگاه ماساچوست آمهرست، دیگر نویسنده ارشد مقاله و متخصص مواد نرم را به خود جلب کرد.

حل معما با شبیه‌سازی‌ها

این تیم آزمایش‌هایی را انجام داد و با همکاران خود در دانشگاه‌های تافتز و سیراکیوز تماس گرفت تا شبیه‌سازی‌هایی را انجام دهند. این تلاش مشترک با هم، تعیین کرد که مغناطیس، مغناطیس قوی، پدیده غیرقابل توضیحی را که رایخ کشف کرده بود، توضیح می‌دهد.

هوگلند می‌گوید:

وقتی از نزدیک به نانوذرات منفرد نیکل مغناطیسی که مرز بین آب و روغن را تشکیل می‌دهند نگاه می‌کنید، می‌توانید اطلاعات بسیار دقیقی در مورد نحوه مونتاژ اشکال مختلف به دست آورید. در این حالت، ذرات به اندازه کافی مغناطیسی هستند که مونتاژ آنها با فرآیند امولسیون، که قوانین ترمودینامیک آن را توصیف می‌کنند، تداخل ایجاد می‌کند.

خم کردن قوانین امولسیون

به‌طور معمول، ذرات اضافه شده به مخلوط روغن و آب، کشش در سطح مشترک بین دو مایع را کاهش می‌دهند و به آنها اجازه می‌دهد تا با هم مخلوط شوند. اما در یک چرخش، ذراتی که به اندازه کافی مغناطیسی هستند، در واقع کشش سطحی را افزایش می‌دهند و مرز بین روغن و آب را به یک منحنی ظریف خم می‌کنند.

گسترش مرزهای امکان

راسل می‌گوید:

وقتی چیزی را می‌بینید که نباید ممکن باشد، باید تحقیق کنید.

اگرچه هنوز هیچ کاربردی برای کشف جدید او وجود ندارد، اما رایخ هیجان‌زده است که ببیند این حالت بی‌سابقه چگونه می‌تواند بر زمینه فیزیک ماده نرم تأثیر بگذارد.

منبع: Scitechdaily