دانش‌آموز ماساچوست و کشف عجیبی بر قوانین ترمودینامیک
در یک کشف حیرت‌انگیز از سوی دانشگاه ماساچوست امهرست، تیمی از فیزیک‌دانان رفتاری جدید در مایعات را شناسایی کرده‌اند که به نظر می‌رسد اصول بنیادین ترمودینامیک را به چالش می‌کشد. این پیشرفت به نحوه‌ای برمی‌گردد که ذرات مغناطیسی با امولسیفیکاسیون—فرایندی که معمولاً به مایعات غیرقابل اختلاط مانند روغن و آب اجازه می‌دهد تحت شرایط خاصی مخلوط شوند—تداخل می‌کنند. این تحقیق در نشریه علمی طبیعت فیزیک منتشر شده و پدیده‌ای را مستند می‌کند که پژوهشگران آن را “مایع بازگشت شکل” می‌نامند، چیزی که تا کنون در حوزه فیزیک نرم‌ماده مشاهده نشده است.
کشف آزمایش دانشجویی سوالات جدیدی را ایجاد می‌کند
این کشف در آزمایشگاهی در دانشگاه UMass Amherst آغاز شد، زمانی که آنتونی ریخ، یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی در فیزیک، سعی داشت مخلوط امولسیونی از روغن و آب با استفاده از ذرات نیکل مغناطیسی ایجاد کند. او به بررسی این موضوع پرداخت که چگونه مواد مغناطیسی می‌توانند برای مهندسی انواع جدیدی از مایعات مورد استفاده قرار گیرند. اما آنچه بعد از آن اتفاق افتاد، انتظارات را به چالش کشید. با وجود هر نوع تکان شدید، دو مایع به طور مکرر جدا شده و به یک شکل منحنی و متمایز شبیه به یک آبگینه یونانی قرار می‌گرفتند.
ریخ با سردرگمی از نتیجه، با مشاوران خود در دپارتمان علم پلیمر مشورت کرد. او گفت: “فکر می‌کردم ‘این چیز چه هست؟’ بنابراین در راهروها راه می‌رفتم و از آنها می‌پرسیدم آیا می‌دانند چه اتفاقی می‌افتد.” هیچ‌یک از اساتید در ابتدا نتوانستند توضیح واضحی بدهند. در نهایت، دو پژوهشگر ارشد، توماس راسل و دیوید هوگلند، رفتار را به عنوان یک پیشرفت بالقوه شناسایی کرده و شروع به بررسی بیشتر کردند.
(از چپ به راست) آنتونی ریخ، توماس راسل و دیوید هوگلند. بالای عکس: ریخ و همکارانش کشف کردند که ذرات مغناطیسی به شدت می‌توانند قوانین ترمودینامیک را خم کنند. اعتبار: آنتونی ریخ/UMass Amherst
مغناطیس قوی فرایند امولسیفیکاسیون را مغلوب می‌کند
امولسیفیکاسیون تحت تأثیر قوانین ترمودینامیک است که چگونگی تعامل مواد در مرزها، مانند مرز بین روغن و آب را توصیف می‌کند. معمولاً، زمانی که ذرات ریز به مخلوط روغن و آب اضافه می‌شوند، تنش سطحی را کاهش داده و به دو مایع کمک می‌کنند که موقتی مخلوط شوند. این اصل در همه چیز از محصولات غذایی تا مواد صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما در این مورد، ذرات نیکل مغناطیسی به شدت به نظر می‌رسد که اثر معکوس داشته‌اند.
به گفته هوگلند، استادی که در مواد نرم تخصص دارد، قدرت مغناطیسی این ذرات به اندازه‌ای بود که تنش بین‌سطحی را افزایش دهد و مرز بین مایعات را به جای شکسته شدن، خم کند. هوگلند توضیح داد: “شما می‌توانید اطلاعات بسیار دقیقی درباره چگونگی سازمان‌دهی اشکال مختلف به دست آورید.” او تأکید کرد که چیدمان نانوذرات تحت نیروی مغناطیسی منجر به تشکیل شکل آبگینه شد. این چیدمان از امولسیفیکاسیون سنتی جلوگیری کرد و به نظر می‌رسید که قوانین تئوری ترمودینامیک را دور می‌زند.
همکاری به تقویت یافته‌ها کمک می‌کند
به منظور تأیید رفتار عجیب، تیم UMass Amherst همکاری نزدیکی با پژوهشگران از دانشگاه توفتس و دانشگاه سیراکیوز داشت. با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و مدل‌سازی دقیق، تیم چند مؤسسه‌ای تأیید کرد که نیروهای مغناطیسی در حال بازیابی مایعات، واقعاً قادر به سازمان‌دهی مرز مایعات به روشی کاملاً غیرمنتظره بودند. اثر به طور مداوم مشاهده می‌شد—هر بار که مخلوط تکان داده می‌شد، شکل آبگینه با دقت قابل توجهی دوباره ظاهر می‌شد.
ریخ گفت: “این مخلوط این شکل زیبا و بی‌نقص آبگینه‌ای را تشکیل داد.” این واقعیت که شکل بعد از هر اختلال بازگشت، نشان‌دهنده این بود که این سیستم در حال یافتن تعادل پایداری است—تنها نه به شیوه‌ای که فیزیک استاندارد پیش‌بینی کرده بود. به گفته پژوهشگران، این نوع رفتار خودسازمان‌دهنده نمایانگر یک وضعیت جدید در مخلوط‌های مایع است و امکانات جدیدی را برای درک چگونگی تأثیر نیروهای خارجی مانند مغناطیس بر خواص مواد باز می‌کند.
مرزهای جدید در فیزیک نرم‌ماده
این تحقیق هنوز کاربردهای عملی فوری ندارد، اما نتایج آن برای حوزه فیزیک نرم‌ماده بسیار مهم هستند. توماس راسل، استاد برجسته علم پلیمر و مهندسی در UMass Amherst، بر اهمیت بررسی anomalies در سیستم‌های علمی تأکید کرد. او گفت: “وقتی چیزی را می‌بینید که نباید ممکن باشد، باید تحقیق کنید.”
این پروژه که با حمایت مالی از بنیاد ملی علوم ایالات متحده و وزارت انرژی همراه است، نشان‌دهنده علاقه روزافزون به چگونگی مانور مغناطیسی برای ایجاد اشکال جدیدی از مواد خودسازمان‌دهنده است. با ادامه تحقیق، نتایج ممکن است به نوآوری‌های آینده در مایعات هوشمند، مواد برنامه‌ریزی شده یا سیستم‌های حرکتی مغناطیسی کمک کند—اگرچه در حال حاضر، مایع آبگینه‌ای همچنان یک کنجکاوی علمی است که آنچه را که فکر می‌کردیم می‌دانیم به چالش می‌کشد.
منبع: https://dailygalaxy.com/2025/05/a-massachusetts-student-accidentally-broke-the-laws-of-thermodynamics/
