یک دانشجو به‌طور اتفاقی قوانین ترمودینامیک را زیر سؤال برد

قوانین ترمودینامیک نحوه ارتباط میان دما، انرژی و آنتروپی در یک سامانه و همچنین چگونگی تعامل اجزای مختلف آن با یکدیگر را توضیح می‌دهند. این قوانین حتی فرایندهایی مانند امولسیون‌سازی مایعات را نیز دربرمی‌گیرند.

با این حال، یافته‌ای تازه و غیرمنتظره نشان می‌دهد دو مایع غیرقابل‌اختلاط، زمانی که تحت تأثیر ذرات مغناطیسی قرار بگیرند، می‌توانند رفتاری از خود نشان دهند که با این قوانین شناخته‌شده همخوانی ندارد.

پژوهشگران این کشف اذعان دارند که این پدیده در حال حاضر کاربرد عملی مشخصی ندارد، اما از نظر فیزیک ماده نرم، حالتی است که پیش از این مشاهده نشده بود. همان‌طور که هومر سیمپسون زمانی گفت

در این خانه ما از قوانین ترمودینامیک پیروی می‌کنیم. با این حال، کشف کاملاً غیرمنتظره یک دانشجو در دانشگاه ماساچوست آمهرست نشان داده که طبیعت همیشه مطابق این قاعده پیش نمی‌رود.

وقتی روغن و آب رفتار متفاوتی نشان می‌دهند

قوانین ترمودینامیک رابطه میان دما، انرژی و آنتروپی یک سامانه را مشخص می‌کنند و توضیح می‌دهند اجزای آن چگونه بر یکدیگر اثر می‌گذارند. امولسیون‌سازی نمونه‌ای از چنین فرایندی است؛ یعنی حالتی که دو ماده عموماً غیرقابل‌اختلاط می‌توانند به یک مخلوط یکنواخت تبدیل شوند.

برای نمونه، روغن موجود در کره بادام‌زمینی به‌طور طبیعی از بخش‌های دیگر جدا می‌شود و در قسمت بالایی ظرف قرار می‌گیرد؛ به همین دلیل باید پیش از مصرف آن را مخلوط کرد. برخی شرکت‌ها نیز موادی موسوم به امولسیفایر به محصولات اضافه می‌کنند تا مانع جدا شدن این ترکیبات شوند. تمام این تعاملات را می‌توان بر اساس قوانین ترمودینامیک توضیح داد.

توماس راسل، پژوهشگر ارشد دانشگاه ماساچوست آمهرست و نویسنده ارشد مقاله‌ای که در نشریه Nature Physics منتشر شد، در بیانیه‌ای گفت

یک بطری سس سالاد ایتالیایی محبوب خود را تصور کنید. این سس از روغن، آب و ادویه تشکیل شده و پیش از ریختن روی سالاد، آن را تکان می‌دهید تا همه مواد با یکدیگر مخلوط شوند.

این همان امولسیون‌سازی در عمل است. اما همین فرایند در آزمایشگاهی در آمهرست به شکل عجیبی تغییر کرد؛ جایی که آنتونی رایخ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی، مخلوطی از دو مایع غیرقابل‌اختلاط را همراه با ذرات نیکل مغناطیسی تهیه کرد.

برخلاف انتظار، این مواد به شکل معمول با هم ترکیب نشدند. در عوض، مخلوط به شکلی شبیه کوزه‌های یونان باستان درآمد؛ شکلی که پژوهشگران آن را به یک کوزه یونانی تشبیه کرده‌اند.

نقش عجیب ذرات نیکل مغناطیسی

رایخ برای یافتن دلیل این رفتار به سراغ استادان دانشگاه رفت و در ادامه با دانشمندانی از دانشگاه سیراکیوز و دانشگاه تافتس همکاری کرد. شبیه‌سازی‌های دقیق سرانجام نشان دادند که وقتی نیروی مغناطیسی اثرگذار بر دو مایع به اندازه کافی زیاد باشد، مرز میان آنها می‌تواند خم شود و به شکل منحنی درآید.

این تغییر شکل باعث اختلال در فرایند امولسیون‌سازی می‌شود؛ فرایندی که بر اساس قوانین ترمودینامیک باید به شکل متفاوتی پیش برود. حتی با تکان دادن شدید مخلوط مغناطیسی نیز مایعات پس از مدتی دوباره به همان شکل مشخص بازمی‌گشتند.

هوگلند در توضیح این پدیده گفت

اگر با دقت بسیار زیاد به نانوذرات منفرد نیکل مغناطیسی که مرز میان آب و روغن را تشکیل می‌دهند نگاه کنید، می‌توانید اطلاعات بسیار دقیقی درباره نحوه کنار هم قرار گرفتن شکل‌های مختلف این مواد به دست آورید. در این مورد، ذرات آن‌قدر به‌شدت مغناطیسی شده‌اند که نحوه تجمع آنها در فرایند امولسیون‌سازی اختلال ایجاد می‌کند؛ فرایندی که قوانین ترمودینامیک آن را توضیح می‌دهند.

رایخ نیز پذیرفته است که این کشف در حال حاضر کاربرد عملی فوری ندارد، اما از نظر علمی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا با حالتی روبه‌رو هستیم که تاکنون در فیزیک ماده نرم مشاهده نشده. این پدیده می‌تواند در آینده به گسترش و توسعه حوزه فیزیک ماده نرم کمک کند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.