Kleine Kugeln, die in einer Flüssigkeit schweben, bewegen sich so ähnlich wie Moleküle, dass die Physik des einen verwendet werden kann, um die Physik des anderen nachzuahmen.
Aus diesem Grund könnte die Entdeckung einer ungewöhnlichen Physik in Kolloiden – Partikeln, die beispielsweise in einer Lösung wie Milch dispergiert sind – für Forscher interessant sein, die biologische Wechselwirkungen untersuchen.
Die Chemie- und Biomolekularingenieurin Sibani Lisa Biswal und der Postdoktorand Kedar Joshi von der George R. Brown School of Engineering der Rice University fanden heraus, dass ein Kolloid – in diesem Fall eine Suspension mikrometergroßer paramagnetischer Partikel – mit einem Magnetfeld gestoßen wird neigt dazu, seinen Zustand mit der niedrigsten Energie auf die gleiche Weise zu suchen, wie es Gas- und Flüssigkeitssysteme tun.
„Es ist, als würde man versuchen, eine Blase in einer seltsamen Form zu blasen“, sagte Biswal. „Es geht immer auf eine Kugel zurück.“
Ihre Feststellung, detailliert in der Proceedings of the National Academy of Sciencesstellt die Kelvin-Gleichung, die thermodynamische Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Gasen beschreibt, nicht gerade in Frage. Aber es dehnt die Gleichung ein wenig aus.
„Die Kelvin-Gleichung stammt aus der klassischen Thermodynamik und sagt uns, wie flüssige und gasförmige Phasen miteinander im Gleichgewicht stehen“, sagte Biswal. „Kedar gibt gerne das Beispiel von Wassertröpfchen: wie sie eine bestimmte Größe behalten, selbst wenn Wasser und Dampfphasen sie umgeben.“
Dipolare kolloidale Partikel werden durch ein sich drehendes Magnetfeld aus dem Gleichgewicht getrieben. Das Experiment der Rice University zeigt, wie Gase, dargestellt durch die dispergierten Partikel, und Flüssigkeiten, dargestellt durch den kondensierten Cluster, als Dampf und Flüssigkeit koexistieren können, die der Kelvin-Gleichung für molekulare Systeme folgt. Bildnachweis: Biswal Lab/Rice University
„Diese kolloidalen Gruppen sind wie die Tröpfchen“, sagte Joshi. „Sie versuchen, kreisförmig zu bleiben, anstatt eine willkürliche Form anzunehmen. Unser Gedanke war, dass diese Gleichungen nicht nur eine oder zwei, sondern auch jede Eigenschaft unserer Kolloide erklären sollten.“
Die Studie erweitert die frühere Arbeit des Labors, um zu charakterisieren, wie Partikel in Lösungen interagieren, wobei die jüngste zeigt, wie superparamagnetische Kolloide in einem sich schnell drehenden Magnetfeld miteinander interagieren.
„Dieser fällt in unseren Zuständigkeitsbereich, wie wir über Gase und Flüssigkeiten denken, aber auf andere Weise“, sagte Biswal. „Kedar entschied sich, die Formel auf unser System anzuwenden, in dem wir die Partikel sehen, zählen und tatsächlich durch ihre ‚Gas‘- und kondensierten Phasen verfolgen können.“
Die Ergebnisse seien überraschend, schrieben sie, weil die Kelvin-Gleichung nicht für Systeme gelten soll, die aus dem Gleichgewicht geraten sind. In den Rice-Experimenten repräsentierten die Partikel flüssige Moleküle, wenn sie verklumpt waren, und Gasmoleküle, wenn sie dispergiert waren, beide Eigenschaften, die durch das rotierende Magnetfeld gesteuert wurden, ein Stellvertreter für die Temperaturvariable der Gleichung.
Die Forscher brachten ihr Kolloid aus dem Gleichgewicht, indem sie es mit dem Feld drehten. Trotzdem fanden sie heraus, dass die Gleichung immer noch für die Wechselwirkungen gilt, die sie beobachteten, wenn die Teilchen je nach Stärke des Feldes zusammenkamen oder auseinander flogen.
„Die Partikel folgten dem rotierenden Feld; sie sehen aus wie kleine miniaturisierte Rührstäbchen“, sagte Biswal. „Aber wenn wir die Frequenz erhöhten, stellten wir fest, dass es eine isotrope anziehende Wechselwirkung zwischen den Teilchen erzeugte.“
Die Stärke dieses schnell rotierenden Magnetfelds wurde zu einem Knopf, der die „Temperatur“ erhöhte und senkte und kontrollierte, ob die Partikel zu einer Flüssigkeit kondensierten oder sich wie ein Gas verteilten. „Das System verhält sich so, als würde es von der Temperatur beeinflusst“, sagte Joshi, der kürzlich Rice verließ, um an die Fakultät des Indian Institute of Technology in Goa zu wechseln. „Wir wollten unbedingt zeigen, dass es auch in Bezug auf Dampfdruck, Viskosität und Oberflächenspannung das nachahmen würde, was klassische Phasen tun.“
Biswal sagte, die Studie habe auch Auswirkungen auf Geräte wie Kontrolldisplays, die Flüssigkristalle verwenden. „Das neue Papier handelt von der Idee, dass es eine Koexistenz (zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase) geben kann“, sagte sie. „Zu sehen, wie Magnetfelder verwendet werden können, um zu steuern, wie diese Systeme koexistierende Phasen erreichen können, ist wichtig für die Entwicklung von Materialien, die rekonfigurierbar sind oder eine gewünschte Eigenschaft haben.“
Erweiterung der Kelvin-Gleichung auf dipolare Kolloide, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2117971119.