Фізики зробили «атоми» з крапель води і масла
Мезо-атоми з різним числом внутрішніх крапель води
Фотографія: IChF PAN
Вчені з Інституту фізичної хімії Польської Академії наук створили «мезо-атоми» - стійкі та впорядковані структури, утворені декількома краплями води в краплі олії. Авторам вдалося побудувати фазову діаграму таких систем і описати їх стійкість в термінах капілярних і об'ємних сил. «Мезо-атоми» можуть застосовуватися, наприклад, для синтезу наночастинок складної будови або для друку матеріалів, подібних біологічним тканинам. Нова робота опублікована в Physical Review Letters.
Назва «атоми» до даних мезоструктур автори застосовують в тому, що вони утворюють стійкі ансамблі практично з тих же причин, що елементарні частинки утворюють атом. Йдеться про те, що в результаті багатьох взаємодій між декількома частинками виникає стійка просторова конфігурація, в якій енергія взаємодії мінімальна. Так, наприклад, виникають стійкі кластери. Приставка «мезо-» в назві підкреслює, що описані структури утворюються на інших масштабах, ніж «справжні» атоми, проте за деякими параметрами їх нагадують.
Для отримання мезо-атомів в новій роботі вчені використовували мікрофлюідних пристрій. В тонкий канал, в якому протікав розчин поверхнево-активної речовини, додавали краплі води, які на наступному кроці поміщали у велику краплю олії. В результаті утворювалася складна структура, всередині якої були упаковані краплі води, розділені тонкими плівками поверхнево-активної речовини. Форма, розмір і характер упаковки таких мезо-атомів залежав від кількості крапель води, об'ємної частки води в маслі, а також ряду зовнішніх параметрів.
Автори також побудували фазову діаграму для їх системи в повному діапазоні об'ємної частки φ рідин (від 0 до 100%) і для числа крапель N від трьох до одинадцяти. Виявилося, що при малих φ всередині краплі не відбувалося жодної упаковки, однак при підвищенні частки води в системі виникали три різних типи структур. Майже для всіх отриманих структур вчені також визначили просторову групу симетрії.
Схема експериментальної установки і групи симетрій для структур з числом крапель 3 і 4
Зображення: Jan Guzowski and Piotr Garstecki / Phys. Rev. Lett (2015)
Групи симетрій для структур з числом крапель 5 і 6
Зображення: Jan Guzowski and Piotr Garstecki / Phys. Rev. Lett (2015)
Групи симетрій для структур з числом крапель 7
Зображення: Jan Guzowski and Piotr Garstecki / Phys. Rev. Lett (2015)
Спочатку (при малих φ) краплі води пакували так, як ніби вони були твердими кулями - завдання про таких структурах добре відомі в геометрії. При цьому форма зовнішньої оболонки залишалася сферичної. При збільшенні частки води краплі більше не вміщалися в регулярну упаковку і починали деформуватися. При цьому підсумкові зовнішні структури втрачали сферичну форму. Якщо φ збільшували і далі, утворювалися витягнуті мезо-атоми, що нагадували сітку для лука: краплі в них були упаковані одна за одною.Автори відзначають, що описані ними системи різко відрізняються від традиційних для колоїдної науки кластерів і агрегатів частинок. Вся справа в тому, що в разі мезо-атомів в системі з'являється ще один чинник - можливість деформації, завдяки чому різко розширюється кількість можливих стійких структур.