مایع بازیاب شکل قوانین ترمودینامیک را نقض می‌کند

1

شکل مایع بدون شکل چیزی است که معمولاً آن را بدیهی می‌دانیم. ما انتظار داریم که مایعات پخش شوند و شکل ظرفی را که در آن نگهداری می‌شوند، به خود بگیرند. اما گاهی اوقات طبیعت با احساسات ما مغایرت دارد.

در یک مطالعه اخیر، یک مایع کنجکاو از حفظ حالت آشفتگی خود پس از تکان خوردن امتناع کرد و به جای آن به شکلی صاف و با خطوط مشخص تبدیل شد که یادآور یک قطعه سفال کلاسیک بود.

این یافته عجیب توسط تیمی شامل دانشجوی فارغ‌التحصیل آنتونی ریخ از دانشگاه ماساچوست آمهرست کشف شد. این گروه در حال آزمایش با روغن و آب بودند که شکلی را دیدند که هیچ‌گاه پیش از آن ندیده بودند.

درک مایعات بازیاب شکل

برخی از مواد خود را به شکل‌های منظم جمع می‌کنند. برخی دیگر به شیوه‌ای آشفته گسترش می‌یابند.

برای قرن‌ها، ترمودینامیک به پیش‌بینی این رفتارها کمک کرده است و قوانینی درباره انرژی و تعادل تعیین کرده است.

به طور معمول، افزودن ذرات به مخلوط روغن و آب باعث می‌شود که این دو مایع به راحتی‌تر ترکیب شده و ساختارهای جدیدی تشکیل دهند.

این پدیده به نام امولسیفیکاسیون شناخته می‌شود و در تولید مواد غذایی، لوازم آرایشی و بسیاری دیگر از محصولات تجاری ضروری است. نظریه معمولی می‌گوید که این ذرات باید تنش بین روغن و آب را کاهش دهند.

چرا مغناطیس مهم است

ریخ تصمیم گرفت که از ذرات نیکل مغناطیسی در مخلوط خود استفاده کند. او همه چیز را تکان داد و اتفاقی عجیب رخ داد.

او گفت: “… به طور کامل غیرمنتظره، مخلوط این شکل زیبای، دست‌نخورده‌ی گلدان را تشکیل داد”. او سعی کرد که بیشتر تکان دهد، اما مایع دوباره به همان شکل برگشت.

آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان داد که تعاملات مغناطیسی قوی دلیل این پدیده بودند. این ذرات فلزی به اندازه‌ای قوی بودند که رفتار طبیعی مایع را به هم زدند.

نیروهای مغناطیسی و شکل مایع

دانشمندان اغلب به تعاملات شناخته‌شده برای هدایت آزمایش‌های خود تکیه می‌کنند. اعمال نیروهای مغناطیسی یک لایه پیچیدگی جدید به این فرآیند اضافه می‌کند.

“وقتی شما به ذرات نانوذره‌ای نیکل مغناطیسی که مرز بین آب و روغن را تشکیل می‌دهند، خیلی دقیق نگاه می‌کنید، می‌توانید اطلاعات دقیقی در مورد چگونگی جمع شدن اشکال مختلف به دست آورید” دیوید هوگلند، استاد علم پلیمر و مهندسی در دانشگاه ماساچوست آمهرست.

ریخ و همکارانش کشف کردند که ذرات مغناطیسی قوی می‌توانند قوانین ترمودینامیک را خم کنند.

چرا این مهم است؟

یک استثناء واحد به قوانین شناخته‌شده ممکن است سوالات بیشتری درباره این نوع مایعات به وجود آورد. چالش بعدی این است که مکانیسم‌های عمیق‌تری که پشت این مرزهای مایع محکم قرار دارد را کشف کنیم.

“تصور کنید که سس سالاد ایتالیایی مورد علاقه شما درست شده از روغن، آب و ادویه‌هاست، و قبل از اینکه آن را روی سالاد بریزید، آن را تکان می‌دهید تا تمام مواد با هم مخلوط شوند”، توماس راسل، استاد برجسته علم پلیمر و مهندسی در دانشگاه ماساچوست آمهرست.

او این مثال روزمره آشپزی را با پدیده شگفت‌انگیز در آزمایشگاه مقایسه کرد.

خطوط مرزی مایع و کاربردهای آینده

این آزمایش درهای کاربردهای غیرمنتظره‌ای را در زمینه‌هایی که شامل مایعات دقیقاً تنظیم‌شده هستند، باز می‌کند.

ترکیب‌های پزشکی ممکن است روزی از این نوع کنترل شکل برای اطمینان از تحویل دقیق‌تر اجزا استفاده کنند.

دانشمندان همچنان محتاط هستند که هیچ فناوری جدیدی از این مخلوط عجیب اعلام کنند. با این حال، این کشف نشان می‌دهد که درک ما از رفتار مایعات می‌تواند همچنان با پیچ و تاب‌های عجیب شگفت‌زده شود.

نتیجه‌گیری

این کشف به این معنی نیست که ترمودینامیک شکسته شده است. بلکه نشان می‌دهد که تحت شرایط خاص، ممکن است مواردی وجود داشته باشد که مدل‌های سنتی به طور کامل کاربرد نداشته باشند.

دانشمندان این سناریوها را “استثنا” می‌نامند نه نقض، و آنها به ما کمک می‌کنند تا درک بهتری از نحوه رفتار قوانین فیزیکی تحت شرایط خاص یا غیرمعمول پیدا کنیم.