Uutiset

Fyysikot taivuttivat nesteet neliön, ristikon ja donitsin muotoon

Tutkijat ohjasivat nesteitä sähkökentällä muotoihin, joista monet olisivat luonnossa mahdottomia.

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.

Physicists make square droplets and liquid lattices. Picture: Active Matter research group led by Prof. Timonen, Aalto University
Tutkijat pakottivat öljyseokset sähkökentän avulla erilaisiin muotoihin ja kokoonpanoihin. Kuva: Jaakko Timosen Active Matter -tutkimusryhmä, Aalto-yliopisto.

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

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Two models wearing grey solar cell clothing.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat kehittivät vaatteisiin näkymätöntä aurinkokennoteknologiaa, joka kestää konepesua

Tutkijat kehittivät tekstiileihin pesunkestävää aurinkokennoteknologiaa, joka voidaan myös piilottaa kankaan alle. Kennojen näkymättömyys suojaa niitä - ja tekee vaatteista houkuttelevampia, sanovat fysiikan ja muotoilun tutkijat. Lupaavia sovelluskohteita löytyy esimerkiksi työ- ja retkeilyvaatteista sekä valoon reagoivista verhoista.
A night sky with the northern lights visible behind the silhouettes of trees. / Yötaivas, jossa revontulet näkyvät puiden siluettien takana.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Revontuulten äänet voi kuulla, vaikka niistä ei taivaalla näy vilaustakaan

Äänitallenteet paljastavat, että geomagneettiseen aktiivisuuteen liittyy ääniä, vaikka aktiivisuus olisi liian heikkoa saadakseen aikaan näkyviä revontulia
Ensimmäinen kuva Linnunradan keskellä olevasta mustasta aukosta. Kuva: EHT Collaboration
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tähtitieteilijät paljastivat ensimmäisen kuvan galaksimme ytimessä olevasta mustasta aukosta

Aalto-yliopiston, Turun yliopiston sekä Suomen ESO-keskuksen tutkijat osallistuivat käänteentekevän kuvan ottamiseen.
Aalto_glass_challenge_2018_Jaea Chang_Glass_Lake_Photo_Anne_Kinnunen_KDQ0207.jpg
Mediatiedotteet Julkaistu:

Koneen Säätiöltä 800 000 euron lahjoitus Aalto-yliopiston taiteiden ja suunnittelun alalle

Lahjoituksellaan säätiö haluaa tukea erityisesti taiteen tutkimusta ja taiteellista tutkimusta. Taustalla on toive turvata oppialojen moninaisuutta ja tutkimuksen vapautta koulutusaloilla, jotka ovat kärsineet rahoitusleikkauksista ja koulutuspolitiikan priorisoinneista.