Fysikere laver firkantede dråber og flydende gitter

Når to stoffer bringes sammen, de vil til sidst slå sig ned i en stabil tilstand kaldet termodynamisk ligevægt; eksempler omfatter olie, der flyder oven på vand, og mælk blandes ensartet i kaffe. Forskere ved Aalto Universitet i Finland ønskede at forstyrre denne form for tilstand for at se, hvad der sker - og om de kan kontrollere resultatet.

"Ting i ligevægt har en tendens til at være ret kedelige, siger professor Jaakko Timonen, hvis forskergruppe udførte nyt arbejde udgivet i Videnskabens fremskridt den 15. september. "Det er fascinerende at drive systemer ud af ligevægt og se, om de ikke-ligevægtsstrukturer kan kontrolleres eller være nyttige. Biologisk liv i sig selv er et godt eksempel på virkelig kompleks adfærd i en flok molekyler, der er ude af termodynamisk ligevægt."

I deres arbejde, holdet brugte kombinationer af olier med forskellige dielektriske konstanter og ledningsevner. De udsatte derefter væskerne for et elektrisk felt.

"Når vi tænder et elektrisk felt over blandingen, elektrisk ladning akkumuleres ved grænsefladen mellem olierne. Denne ladningstæthed skærer grænsefladen ud af termodynamisk ligevægt og ind i interessante formationer, " forklarer Dr. Nikos Kyriakopoulos, en af ​​avisens forfattere. Udover at blive forstyrret af det elektriske felt, væskerne var begrænset i en tynd, næsten todimensionelt ark. Denne kombination førte til, at olierne omformede sig til forskellige helt uventede dråber og mønstre.

Dråberne i eksperimentet kunne laves til firkanter og sekskanter med lige sider, hvilket er næsten umuligt i naturen, hvor små bobler og dråber har tendens til at danne kugler. De to væsker kan også laves til at dannes til indbyrdes forbundne gitter:gittermønstre, der forekommer regelmæssigt i faste materialer, men er uhørt i flydende blandinger. Væskerne kan endda lokkes til at danne en torus, en donutform, som var stabil og holdt sin form, mens marken blev anvendt - i modsætning til i naturen, da væsker har en stærk tendens til at falde sammen og fylde hullet i midten. Væskerne kan også danne filamenter, der ruller og roterer rundt om en akse.

"Alle disse mærkelige former er forårsaget og opretholdt af det faktum, at de forhindres i at kollapse tilbage til ligevægt af bevægelsen af ​​de elektriske ladninger, der opbygges ved grænsefladen, " siger Geet Raju, avisens første forfatter.

Et af de spændende resultater af dette arbejde er evnen til at skabe midlertidige strukturer med en kontrolleret og veldefineret størrelse, som kan tændes og slukkes med spænding, et område, som forskerne er interesseret i at udforske yderligere for at skabe spændingsstyrede optiske enheder. Et andet potentielt resultat er evnen til at skabe interagerende populationer af rullende mikrofilamenter og mikrodråber, der, på et elementært niveau, efterligne dynamikken og den kollektive adfærd hos mikroorganismer som bakterier og mikroalger, der driver sig selv ved hjælp af helt andre mekanismer.

Forskningen er udført ved Institut for Anvendt Fysik i forskergruppen Active Matter, ledet af professor Timonen. Artiklen "Diversity of non-equilibrium patterns and emergence of activity in confined electrohydrodynamically drives liquids" er publiceret åbent i Videnskabens fremskridt .