Fyysikot taivuttivat nesteet neliön, ristikon ja donitsin muotoon

Kun kaksi ainetta tuodaan yhteen, ne asettuvat lopulta vakaaseen tilaan, jota kutsutaan termodynaamiseksi tasapainoksi. Esimerkiksi öljy kelluu veden päällä, ja maito sekoittuu tasaisesti kahviin.

Ryhmä Aalto-yliopiston fyysikoita halusi selvittää, mitä tapahtuu, kun tasapaino häiriintyy. He halusivat myös ymmärtää, voisiko epätasapainoisista järjestelmistä olla hyötyä tulevaisuuden materiaalien suunnittelussa.

Tutkijat onnistuivat luomaan kahden öljyn seoksesta hallittuja ja monimutkaisia rakenteita, joita voidaan kytkeä päälle ja pois sähköjännitteen avulla.

”Tasapainossa olevat asiat ovat vähän tylsiä. On mielenkiintoista ajaa järjestelmiä pois tasapainosta ja nähdä, voiko epätasapainoisia rakenteita hallita tai hyödyntää. Biologinen elämähän on hyvä esimerkki todella monimutkaisesta käytöksestä molekyylijoukossa, joka ei ole termodynaamisessa tasapainotilassa”, sanoo professori Jaakko Timonen.

Tutkijat käyttivät kokeissa öljy-yhdistelmiä, joilla on erilaiset sähkönjohtavuudet ja eristeominaisuudet. Tutkijat pakottivat öljyseokset sähkökentän avulla erilaisiin muotoihin ja kokoonpanoihin.

”Kun aktivoimme sähkökentän seoksen läpi, öljyjen rajapintaan muodostui sähkövaraus. Tämä varaus pakotti rajapinnan pois termodynaamisesta tasapainosta ja loi mielenkiintoisia muodostelmia”, kertoo tutkijatohtori Nikos Kyriakopoulos.

Sähkökentän häiritsemisen lisäksi tutkijat eristivät nesteet ohueksi, näennäisen kaksiulotteiseksi levyksi. Tämä johti siihen, että öljyt muovautuivat monenlaisiksi täysin odottamattomiksi pisaroiksi ja kuvioiksi, joita voitiin hallita sähkökentällä.

Tutkijat saivat pisarat järjestymään suorasivuisiksi neliöiksi ja kuusikulmioiksi, mikä on luonnossa lähes mahdotonta. Siellä pienet kuplat ja pisarat muodostavat palloja. Öljyt saatiin myös muodostamaan toisiinsa liittyviä hiloja; ristikkokuvioita, joita ilmenee säännöllisesti kiinteissä aineissa, mutta jotka ovat ennenkuulumattomia nestemäisissä seoksissa.

Nesteet muodostivat jopa tooruksen eli geometrisen muodon, joka muistuttaa donitsia. Se oli vakaa ja piti muotonsa sähkökentän ollessa käytössä. Tämä ei ole luonnollista, sillä luonnossa nesteillä on vahva taipumus romahtaa ja täyttää keskellä oleva aukko.

Lisäksi nesteet voivat muodostaa säikeitä, jotka kiertyvät ja pyörivät keskuksen ympärillä.

”Kaikki nämä erikoiset muodot syntyvät ja pysyvät muodossaan siksi, että niiden romahtaminen takaisin tasapainoon estetään rajapinnassa syntyvän sähköisen varauksen liikkeellä”, sanoo Geet Raju.

Tutkimuksen avulla voidaan tulevaisuudessa myös luoda vuorovaikutteisia mikropisaroiden ja pyörivien mikrofilamenttien populaatioita, jotka jäljittelevät bakteerien ja mikrolevien kaltaisten mikro-organismien dynamiikkaa ja kollektiivista käyttäytymistä. Lisäksi jatkossa tutkijoiden tavoite on luoda jännitteellä ohjattuja optisia komponentteja ja laitteita ilmiöön perustuen.

Lisätietoa:

Tutkimusartikkeli ”Diversity of non-equilibrium patterns and emergence of activity in confined electrohydrodynamically driven liquids” julkaistiin Science Advances -lehdessä; DOI 10,1126sciadv.abh1642

Jaakko Timonen
Apulaisprofessori
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos
Active Matter -tutkimusryhmä
[email protected]
puh. 044 230 5820