Ми звикли до того, що навколишній світ підпорядковується певним правилам. Вода закипає при ста градусах (ну, майже), яблука падають униз, а олія та вода… ну, вони не змішуються. Принаймні, не власними силами. Киньте їх в одну банку, струсіть — і за мить побачите знайому картину: олія випливе, вода осяде. Це фізика, дитинко! Точніше, термодинаміка — наука про енергію, тепло і те, як все прагне рівноваги і, чесно кажучи, деякого безладдя.
Але якщо я скажу вам, що десь у лабораторії Массачусетського університету ця звична картина світу дала тріщину? Уявіть: суміш олії та води, яку скільки не тряси, вона завзято повертається до однієї і тієї ж витонченої форми, що нагадує давньогрецьку амфору. Звучить дивно? Ще б пак!
Все почалося з експерименту, який проводив Ентоні Рейх, аспірант-фізик. Його завдання було загалом досить стандартною для його області: створити емульсію. Пам’ятаєте салатне заправлення з перекладу? Олія, оцет (або вода), спеції. Спеції тут не для смаку (хоча і для нього теж), а як емульгатор – речовина, яка допомагає рідинам, що не змішуються, подружитися і утворити більш-менш однорідну суміш.
Рейх робив щось схоже, тільки замість кулінарних спецій використовував наночастинки нікелю. Навіщо? А тому що рідини з магнітними частинками це ціле поле для досліджень! З них можна створювати матеріали із дивовижними властивостями, керовані магнітним полем. Перспективно, правда? І ось він змішав свої інгредієнти, як слід струснув і замість очікуваної каламутної емульсії побачив її. Ідеальну, симетричну форму скриньки. Він спробував знову. І знову. Результат був той самий. Форма завзято відновлювалася.
Магнетизм проти термодинаміки?
То в чому ж фокус? Чому ця суміш поводиться так зухвало, ігноруючи звичні нам закони? Щоби розібратися, довелося підключати колег з інших університетів, будувати складні комп’ютерні моделі. І відповідь знайшлася. Виною всьому – магнетизм. Але не просто магнетизм, а сильний магнетизм цих найнікелевіших наночастинок.
Ось як це працює зазвичай (з тими ж спеціями в заправці): частинки-емульгатори осідають на кордоні між олією та водою і згладжують напругу між ними. Говорячи науковою мовою, вони зменшують міжфазний натяг. Це дозволяє крапелькам однієї рідини легше проникати в іншу, утворюючи емульсію. Термодинаміка це схвалює — система приходить до стабільнішого стану.
А що відбувається з нашими магнітними частинками? А вони роблять все навпаки! Будучи сильно намагніченими, вони не зменшують, а уявіть собі, збільшують напругу на межі розділу! Вони вишиковуються певним чином, створюючи свого роду пружну «шкіру» між олією та водою. І ця «шкіра» під дією сил натягу набуває енергетично вигідної форми — тієї самої форми урни. І тримає її! Струшування лише тимчасово руйнує структуру, яка потім сама собою відновлюється.
Переписуємо підручники? Ну, поки що ні…
Звучить майже як наукова брехня, чи не так? Адже другий закон термодинаміки, грубо кажучи, говорить, що системи прагнуть до збільшення хаосу (ентропії). стабільного стану, який раніше просто не спостерігали. Це відкриття – яскравий приклад того, що наука не стоїть на місці. Те, що здавалося непорушним правилом, може виявитися лише окремим випадком складнішої картини. Як сказав професор Рассел, “коли бачиш те, що здається неможливим, це необхідно дослідити”.
Поки що ця «рідина з пам’яттю» не має конкретного застосування. Це не той випадок, коли ми побачимо її в кожному будинку. Але для фізики м’яких середовищ, для науки про матеріали – це відкриття може стати дуже важливим. Воно показує, як незвичайно можуть поводитися системи на нанорівні, і відкриває нові шляхи для створення матеріалів із заздалегідь заданими властивостями.
Хто знає, можливо через кілька років ми побачимо технології, засновані на цьому принципі? Покриття, що самовідновлюються? Нові засоби доставки ліків? Поки що це лише припущення. Але одне ясно точно: світ навколо нас все ще сповнений загадок, і навіть така проста річ, як суміш олії та води, може зробити сюрприз, змусивши вчених по-новому поглянути на, здавалося б, давно вивчені явища. І це, мабуть, найцікавіше в науці!