Ett undantag från termodynamikens lagar: Formåterställande vätska utmanar läroböckerna

Forskare vid University of Massachusetts Amherst har nyligen gjort en häpnadsväckande upptäckt av vad de kallar en ”formåterhämtande vätska” som utmanar vissa långvariga förväntningar från termodynamikens lagar. Denna banbrytande forskning visar att en blandning av olja, vatten och magnetiserade nickelpartiklar, när den skakas, alltid snabbt återgår till en form som liknar de klassiska linjerna av en grekisk urna. Till skillnad från vanliga emulsioner där ytspänningen minskar när partiklar tillsätts, ökar ytspänningen i detta system, vilket resulterar i en stabil, återkommande form som trotsar konventionell termodynamisk förutsägelse. Denna upptäckt öppnar nya möjligheter för förståelse av vätskors beteende under inflytande av starka magnetiska krafter och kan potentiellt leda till innovativa tillämpningar inom materialvetenskap och flödesteknologi.

En slumpmässig upptäckt i laboratoriet

Historien om denna vetenskapliga upptäckt börjar med Anthony Raykh, en doktorand i fysik vid University of Massachusetts Amherst, som experimenterade med en blandning som påminner om salladsdressing – fast i vetenskapligt syfte. ”Föreställ dig din favorititalieniska salladsdressing,” förklarar Thomas Russell, Silvio O. Conte Distinguished Professor i polymerstudier och maskinteknik vid UMass Amherst och en av artikelns huvudförfattare. ”Den består av olja, vatten och kryddor, och innan du häller den på din sallad, skakar du den så att alla ingredienser blandas.”6

I stället för kryddor använde Raykh magnetiserade nickelpartiklar i sin blandning, ”eftersom man kan utveckla alla möjliga intressanta material med användbara egenskaper när en vätska innehåller magnetiska partiklar”, förklarar han6. När han skakade blandningen hände något helt oväntat: ”till min stora förvåning formade blandningen denna vackra, perfekta urnform.”6 Det mest förbluffande var att oavsett hur många gånger eller hur kraftigt han skakade, återvände urnformen alltid1.

Förbryllad över detta oväntade resultat, sökte Raykh svar från sina professorer. ”Jag tänkte ’vad är detta?’ Så jag gick upp och ner i korridorerna på Institutionen för polymerstudier och maskinteknik, knackade på mina professorers dörrar och frågade om de visste vad som pågick,” berättar Raykh9. Ingen kunde omedelbart förklara fenomenet. Men det fångade uppmärksamheten hos Russell och David Hoagland, professor i polymerstudier och maskinteknik vid UMass Amherst1.

Vetenskaplig förklaring: Magnetism utmanar emulsionsteori

För att förstå detta fenomen genomförde teamet experiment och kontaktade kollegor vid Tufts och Syracuse-universiteten för att skapa simuleringar1. Tillsammans fastställde de att stark magnetism förklarar det oförklarliga fenomenet som Raykh hade upptäckt.

Normalt när partiklar tillsätts till en blandning av olja och vatten minskar de spänningen vid gränssnittet mellan de två vätskorna, vilket möjliggör blandning genom en process som kallas emulgering2. Denna process beskrivs väl av termodynamikens lagar och tillämpas i allt från livsmedelsproduktion till kosmetika13.

Men i en överraskande vändning ökar partiklar med tillräcklig magnetism faktiskt gränsspänningen, i stället för att minska den1. ”När man tittar mycket noga på de enskilda nanopartiklarna av magnetiserad nickel som bildar gränsen mellan vattnet och oljan, kan man få extremt detaljerad information om hur olika former monteras”, förklarar Hoagland. ”I detta fall är partiklarna magnetiserade tillräckligt starkt för att deras sammansättning stör emulgeringsprocessen, vilket termodynamikens lagar beskriver.”2

Forskarna upptäckte att de dipolära magnetiska interaktionerna skapar ett strängliknande partikelnätverk på ytan med öppningar som är tillräckligt stora för att möjliggöra vätsketransport mellan kontakterande droppar2. Partiklarna förstärker därmed jämvikten och återjämvikten av strukturerade vätskegränssnitt, vilket bevisas av den urnformade fas som bildades i ett cylindriskt kärl2.

Termodynamiska implikationer: Ett genuint undantag

Detta fynd utmanar vissa traditionella förväntningar baserade på termodynamikens lagar. Enligt termodynamiken bör en blandning som skakas nå ett tillstånd av maximal entropi, och partiklar som tillsätts till gränssnittet mellan två vätskor bör minska ytspänningen och främja emulgering10.

Men i detta fall ”tjänar gränsaktiverande magnetiska partiklar till att eliminera emulgering helt på grund av långlivade heterogeniteter som påtvingas vätskegränssnitten av magnetiska partikelinteraktioner i planet”2. Energierna i dessa interaktioner är stora, attraktiva och riktningsberoende (beroende på orienteringen mellan partiklarna), så stabiliseringen skedde samtidigt med en ökning av ytspänningen2.

Detta representerar ett genuint undantag från förväntade termodynamiska beteenden. ”När man ser något som inte borde vara möjligt, måste man undersöka det”, säger Russell2. Även om forskarna är försiktiga med att påstå att termodynamikens lagar bryts, representerar detta system ett fall där det konventionella resultatet förhindras av starka magnetiska krafter som introducerar nya energibidrag till systemet7.

Enligt artikeln i Nature Physics: ”Bindning av partiklar till ett gränssnitt mellan omblandbara vätskor för att minska ytspänningen är grunden för emulgering och fasbeteende hos sammansatta vätskesystem. Ändå fann vi att den starka bindningen och tvådimensionella sammansättningen av ferromagnetiska partiklar vid ett vätska-vätska-gränssnitt inte bara undertrycker emulgering utan också ökar ytspänningen.”14

Jämförelse med andra anomala vätskor

Denna upptäckt är särskilt intressant i kontexten av andra ”anomala vätskor” som uppvisar ovanliga egenskaper. Vatten är den mest kända anomala vätskan, med egenskaper som densitetsmaximum vid 4°C, vilket spelar en grundläggande roll i otaliga naturliga och teknologiska processer3.

Forskare har studerat tetraedriska vätskor som delar vissa anomalier med vatten, såsom kisel, kol och germanium3. Dessa material uppvisar unika gemensamma fysiska beteenden, som vätskeanomalier, öppna kristallstrukturer och extremt dålig glassbildningsförmåga vid omgivningstryck3.

Den nyupptäckta formåterhämtande vätskan representerar dock en annan typ av anomali, där gränssnittsbeteendet styrs av starka magnetiska interaktioner snarare än molekylära strukturer14. Detta utvidgar vår förståelse av ovanliga vätskebeteenden och öppnar nya forskningsområden inom mjuka materials fysik.

Magnetism och ytspänning: Den avgörande faktorn

Det centrala i upptäckten är den oväntade ökningen av ytspänning som orsakas av de magnetiserade partiklarna. Forskarna fann att: ”Däremot ökar magnetstyrkorna ytspänningen mellan olja och vatten. Det resulterar i att den stabile urnan, och det är första gången vi sett något liknande.”13

När vätskan observeras under ett högfrekvent magnetfält (~50 Hz) roterar den urnformade gränsen synligt under fältets påverkan14. Skuggan av en kluster partiklar kan ses röra sig under urnan, vilket belyser rotationen14. Detta bekräftar den centrala rollen magnetiska krafter spelar i att upprätthålla denna ovanliga konfiguration.

Metodologiska detaljer och experiment

För att bekräfta sina resultat använde forskarna en kombination av experimentella tekniker och datorsimuleringar. De använde diklormetan (DCM) och vatten innehållande nickelpartiklar, vilket efter omrörning koalescerar till behållarstora vätskefaser separerade av ett gränssnitt format som en grekisk urna14.

Magnetfältets styrka var cirka 50 mT, applicerat av en magnetisk rörplatta14. För att studera partiklarnas beteende i detalj, tittade forskarna noga på de enskilda nanopartiklarna som bildade gränsen mellan vätskorna, vilket gav viktig information om hur olika former monterades1.

Ett annat viktigt experiment visade att när förhållandet mellan olja och vatten i provet ändrades, förändrades formen från en urna till något mer likt en boll9. Detta indikerar att formen inte bara bestäms av de magnetiska interaktionerna utan också av vätskornas relativa volymer.

Bredare konsekvenser och framtida forskning

Även om forskarna ännu inte har identifierat några praktiska tillämpningar för denna oväntade upptäckt, antar de att den kommer att påverka området mjuk materiefysik7. Potentiella tillämpningar skulle kunna inkludera:

Mer effektiva kemiska transporter och processer som kan leda till energioptimering5
Nya metoder för att kontrollera vätska-vätskeblandningar5
Medicinska formuleringar som kan använda denna typ av formkontroll för att säkerställa mer precis leverans av komponenter13
Utveckling av nya material med specialdesignade gränssnittsstrukturer1

Forskarna är nu intresserade av att undersöka hur starkt magnetiserade partiklar kan förändra andra standardkemiska processer13. Denna upptäckt påminner oss om att de fysikaliska lagarna är modeller av verkligheten, inte verkligheten själv. De gäller för ett stort antal förhållanden – men överraskningar som denna urnformade vätska avslöjar att även väl testade teorier kan sträckas på nya och användbara sätt13.

Slutsats

Upptäckten av den formåterhämtande vätskan representerar ett fascinerande undantag från förväntade beteenden som beskrivs av termodynamikens lagar. Även om den inte direkt ”bryter” dessa lagar, visar den att under specifika förhållanden, särskilt när starka magnetiska krafter är inblandade, kan vätskors beteende vara mer komplext och överraskande än vad traditionella modeller förutsäger.

Som Raykh själv uttryckte det: ”När du ser något som inte borde vara möjligt, måste du undersöka det.”7 Denna inställning representerar kärnan i vetenskaplig upptäckt och påminner oss om att även inom väletablerade vetenskapliga områden finns det alltid utrymme för överraskningar och nya upptäckter.

Denna forskning, publicerad i Nature Physics i april 2025, öppnar dörren för nya undersökningar inom vätskedynamik och mjuka materials fysik, och understryker att vår förståelse av naturens lagar fortsätter att utvecklas även för fundamentala fenomen som vätskors beteende.

Citations:

Answer from Perplexity: pplx.ai/share

Related Stories

Upptäckten av en ny färg: Olo – en revolution inom synforskning

Forskare sammanfogar två ’omöjliga’ material till en ny artificiell struktur

Forskare har kartlagt de statistiska mönster som uppstår vid kvantmekanisk sammanflätning