حاوية تحتوي على زيت وماء مفصولين بواسطة غشاء رقيق من جزيئات مغناطيسية أثارت فضول فريق من مهندسي الكيمياء عندما اتخذت شكل “جرة يونانية” غير متوقع عند التحريك.
قال الطالب الجامعي أنطوني رايخ من جامعة ماساتشوستس أمهيرست: “فكرت، ما هذا الشيء؟”، بعد أن قام بما يحبه جميع طلاب الكيمياء، وهو خلط المواد ذات الخصائص المثيرة للاهتمام فقط لرؤية ما سيحدث.
وأضاف: “لذا، تجولت في ممرات قسم علوم وهندسة البوليمرات، وطرقت أبواب أساتذتي، وسألتهم إذا كانوا يعرفون ما يحدث.”
أظهر تحليل المواد أن التفاعلات بين الجزيئات المغناطيسية الصغيرة تعمل جنبًا إلى جنب مع التوتر السطحي بين السوائل غير القابلة للامتزاج، مما يسحب الخليط في اتجاهات عادةً ما كانت الديناميكا الحرارية ستحظرها لولا لمسة من المغناطيسية.
بينما لا توجد تطبيقات واضحة لهذا الاكتشاف حاليًا، فإن الشكل الغريب للخليط واستجابته لمجال مغناطيسي خارجي قد يوفر للباحثين والمهندسين في المستقبل حيلة جديدة لتعديل الخصائص الهيكلية لمستحلباتهم.
ليس الزيت والماء أفضل الأصدقاء. يمكنك دمجهما ورجهما كما تشاء – عاجلاً أم آجلاً، سيفترقان ويعيدان تشكيل طبقات متميزة كما تفرضه ديناميكا تدفق الطاقة مقابل جذب وطرد الروابط الجزيئية.
كما يعرف أي طاهٍ مبتدئ، هناك طرق للحفاظ على السوائل القابلة للذوبان في الدهون والمياه مختلطة لفترة أطول. يمكن أن تعمل المستحلبات مثل الليسيثين الموجود في صفار البيض كدبلوماسي كيميائي لربط المواد معًا بشكل سلس ومتسق مثل صلصة السلطة المفضلة لديك.
تتبع مستحلبات بيكيرنج طريقة لتثبيت الخلط عن طريق إدخال غشاء رقيق بين المرحلتين، مما يكسر على الأقل أحد السوائل إلى فقاعات صغيرة يمكن أن تتوزع بشكل أكثر اتساقًا عبر الأخرى.
تقنيًا ، كانت صلصة السلطة التي صنعها رايخ تتبع قواعد كونها مستحلب بيكيرنج ، حيث تحتوي على ماء الصنبور ومذيب عضوي قطبي قليلاً بالإضافة إلى رشة من جزيئات النيكل المغناطيسية بحجم يتراوح تقريباً بين 5 إلى 15 ميكرومتر و20 نانومتر.
تم توزيع جزيئات النيكل عبر الماء وارتفعت إلى السطح لتتصل كـ “جلد” ثنائي الأبعاد تحت واجهة المذيب العضوي ، تماماً كما ينبغي للمستحلب بيكيرنج القيام به بين السائل المائي والزيت. يجب أن يؤدي رج الخليط إلى تعليق للمواد الثلاثة متجانسة مثل المايونيز.
لكن هذا لم يحدث. جذبت الجزيئات المغناطيسية نحو شبكة متفرعة تحت توتر تحدده الديناميكا الحرارية للسوائل ، مما سحب الخليط بالكامل إلى تشكيل يشبه الساعة الرملية غير المتوازن عند التوازن.
قدمت نظرة تحت المجهر ومحاكاة كمبيوتر نموذجت القوى المعنية صورة واضحة عن الخلط المعقد للتفاعلات المغناطيسية التي ساهمت في خلق الشكل الغريب الذي منع حدوث الاستحلاب. باستخدام مغناطيس ، تمكن الباحثون من تشويه الحدود وتعديل شكل الجرة.
قال عالم البوليمرات ديفيد هوغلاند: ”عندما تنظر عن كثب جدًا إلى جزيئات النيكل المغناطيسي الفردية التي تشكل الحدود بين الماء والزيت ، يمكنك الحصول على معلومات تفصيلية للغاية حول كيفية تجميع الأشكال المختلفة”.
وأضاف: “في هذه الحالة ، تكون الجسيمات مغنطة بقوة تكفي لتع interfere with the process of emulsification, which the laws of thermodynamics describe.”
تم نشر هذا البحث في مجلة Nature Physics.
