Электрическое поле превратило жидкость в твёрдое тело

Впервые феномен изменения формы капель под воздействием электрического поля описал физик Джеффри Ингрэм Тейлор (Geoffrey Ingram Taylor) в 1964 году. Он изучал влияние молнии на дождевые капли и установил, что в отсутствие поля капли имеют сферическую форму, а под его воздействием превращаются в подобие игл (фото с сайта lms.ac.uk).

Физики из США провели фазовое превращение материала, воздействуя на него лишь электрическим полем, – в ходе необычного процесса жидкий материал сформировал кристаллиты.

Учёные из технологического института Джорджии создали компьютерные модели и показали, что нанокапли некоторых материалов могут стать твёрдыми, хотя окружающие условия (температура и давление) останутся теми же, то есть изменение агрегатного состояния произойдёт без изменения термодинамических параметров. Переход повлечёт воздействие очень сильного электрического поля.

Затем физики провели эксперимент с каплями амида муравьиной кислоты, молекулы которого полярны (дипольный момент почти в два раза больше, чем у воды). Выяснилось, что при напряжённости электрического поля меньше 0,5 В/нм капли вытянулись в направлении линий поля лишь слегка. По мере приближения к критическому значению 0,5 В/нм капли приобрели форму игл (длинная ось стала примерно в 12 раз больше короткой). Дальнейшее повышение привёло к небольшому вытягиванию игл.

Когда же учёные повысили напряжённость до 1,5 В/нм, иглы стали твёрдыми – сначала прекратилось диффузионное движение, а затем сформировались отдельные кристаллы формамида. (Подробности в статье, вышедшей в Journal of Physical Chemistry C.)

Американцы изучили полученные структуры и пришли к выводу, что полярные молекулы выстраиваются в решётке таким образом, чтобы минимизировать свободную энергию кристаллической иглы. Поле и переориентация молекул фактически делает формамид сегнетоэлектриком.

Когда учёные снизили напряжённость поля, иглы «расплавились», а затем приняли сферическую форму. При этом наблюдался гистерезис.

Здесь показано изменение формы и предсказанная электрокристаллизация 10-нанометровых капель формамида. По вертикальной оси – отношение между длинной и короткой осями капли (иллюстрация Georgia Tech).

"Это исследование открывает нам свойства большой группы материалов, на которые можно повлиять приложением полей, — говорит один из исследователей Узи Лэндмен (Uzi Landman). – В этом случае изменение формы и кристаллизация происходят из-за того, что формамид, как и вода, имеет достаточно большой электрический дипольный момент".

Хотя нынешнее открытие представляет в большей степени фундаментальный интерес, учёные уверены, что оно может привести к новым разработкам в области направленной доставки лекарств, наноинкапсуляции, а также пригодится в печати наноструктур.



В Москве появится нанотехнологический центр композитов

12 октября 2011

Нобелевку по физике получили первооткрыватели тёмной энергии

4 октября 2011

Миллионы галактик помогли подтвердить теорию Эйнштейна

30 сентября 2011

Физики придумали магнитную шапку-невидимку

26 сентября 2011

Физики заподозрили нейтрино в преодолении скорости света

23 сентября 2011
  • Геннадий Бражник  13 октября, 17:00
    Наверное все-таки американцы создадут первый фотонный двигатель типа «пожирателя пространства». Ведь исходя из представленных в статье компьютерных разработок принцип такого двигателя у них уже в кармане. Правда они как всегда скромны и не многословны, ведь за плечами стоит Пентагон. Молодцы
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Грицай  13 октября, 17:18
    Количество комментариев к довольно таки эпохальным экспериментам, задающим вектор развития технологий, ярко иллюстрирует различие между значимостью и популярностю в обществе. А также пониманием окружающей действительности. Конечно, это ведь не опровержение ОТО, которую все «читали», «знают», «понимаю»; не доказательство-опровержение бога, про понимание которого у каждого имеется стройная четкая картина.
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  13 октября, 17:25
    Сейчас начнут бурно искать соединения имеющие самые «мягкие» — минимальные параметры перехода.
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  13 октября, 17:40
    Интересно узнать, насколько уменьшился объем капли при гистерезисе, ведь это своеобразный преобразователь эл.энергии в механическую работу?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  13 октября, 23:30
    Точно, это как раз то, что нужно для искусственной мускулатуры киборга.
    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  13 октября, 18:09
    Да никакого прорыва в технологии этот эксперимент не дает, процесс обратим, вот если бы они смогли добиться необратимого процесса, то да, а таких эффектов море и толку с них просто нет.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  13 октября, 18:44
    Толк то как раз может быть- если есть жидкость твердеющая под действием электрического и магнитного поля то это позволяяет создать коробки передач без перемещающихся шестеренок и двигатели внутреннего сгорания использующие этот эффект вместо коленвала
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  13 октября, 18:44
    В малом не видите большого? Есть петля гистерезиса, на которой в той или иной форме работает вся техника человечества.
    А по Вашему получается, что в Джорджии какие-то «неудачные алхимики» творят и «толку с них просто нет».
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  13 октября, 19:12
    Это, как?
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  13 октября, 19:26
    Как это что? алхимики или гистерезис?
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  13 октября, 19:34
    Геннадий Бражник 13 октября, 19:26
    «Как это что? алхимики или гистерезис?»
    -Извините Геннадий, но это не к Вам, а к Алексею Варежкину ведь только его комментарий здесь пока конструктивный.
    ОтветитьНравится
  • Павел Капитанов  14 октября, 09:06
    >>Да никакого прорыва в технологии этот эксперимент не дает, процесс обратим

    Превращение воды в пар тоже обратимо. Вы про паровоз слышали когда-ниудь?

    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  14 октября, 12:25
    самое примитивное- берете два вала на них шестерни в постоянном зацеплении, с одним валом шестерни соединены жестко с другим черз твердеющую жидкость- прикладываете электрическое, магнитное поле к нужной шестерне и соединяете ее со вторым вало- включаете нужную скорость.
    это коробка передач и для авто и для станков и везде где требуется
    двигатель- есть вал на нем установлены две детали через включаемое соединение
    вид с торца детали напоминают кулачки с выходным валом в центре кулачки справа и слева от вала выступы этих детале которые взаимодействуют с поршнем соединяя то левый то правый кулачки с поршнем заставляем поршень двигаться вверх или вниз, при этом не соединенный кулачок возвращается поршнем в начальное состояние против вращения вала (концы кулачков имеют возможность перемещаться перпендикулярно к движению поршня- пазы в поршне сделаны поперек поршня позволяющие перемещаться а вдоль нет)
    при этом можно регулировать ход поршня и получать разную степень сжатия
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  14 октября, 12:27
    при работе вид с торца напоминает машушие крылья бабочки
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  14 октября, 14:43
    Алексей Варежкин 14 октября, 12:25
    — То есть в КПП эта жидкость-кристал, заменяет муфты переключения? Я просто сначала подумал, что Вы придумали бесступенчатую КПП на основе этого вещества. По поводу двигателя, мне кажется это гораздо сложней старого доброго коленвала, хотя возможность изменять ход поршня конечно заманчива. В любом случае до такого применения далеко, скорее оно будет использоваться в оптике или электронике.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  14 октября, 18:20
    да, сложность в том что подобные жидкости должны работать при достаточно больших нагрузках и температурах и быть устойчивы к загрязнению маслом, или быть надежно изолированы вконструкции.
    Насчет двс- это так возможный вариант, конструкций разных можно много придумать
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  14 октября, 18:27
    Да насчет простоты, есть еще компактность, если сделать с жидкостью, то вся конструкция помещается внутри поршня.
    Чтобы понятно- рисуете круг (выходной вал в разрезе), вправо и влево кулачки треугольные, на концах кулачков кружочки- это пальцы (можно на них ползуны надеть) которые перпендикулярно оси поршя ходят. Потом справа и слева вокруг пальцев рисуете пазы вокруг пальцев горизонтально расположенные, а потом рисуете прямоугольник длинная сторона вверх, охватывающий весь рисунок- это поршень, сверху и снизу от которого камеры сгорания- вот и весь двигатель, сравните габариты с имеющимся
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  14 октября, 19:17
    Алексей Варежкин 14 октября, 18:27
    — Мне кажется, что такой двигатель можно построить и на кривошипно-шатунном механизме, и он если и будет больше то не намного, опять же скажу что в вашем варианте однозначно полезная вещь это возможность изменять ход поршня, а значит и рабочий объем, и степень сжатия, при чём во время работы двигателя.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  14 октября, 20:20
    габариты двс как раз определяются размерами кшм,
    а здесь это будет меньше ванкеля- просто цилиндр через который проходит вал
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  14 октября, 21:52
    Но в вашем варианте вместо КШМ есть кулачки, которые перемещаются вместе с поршнем, то есть перемещение этих кулачков равно ходу поршня, так же как и у КШМ, не вижу, как можно получить выигрыш в габаритах. Впрочем, я возможно просто не правильно представляю себе вашу конструкцию без рисунка.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  15 октября, 10:28
    вроде понятно постарался объяснить- возьмите карандаш и наденьте две канцелярские скрепки на него так чтобы одна была слева другая справа если смотреть с торца карандаша, теперь представьте что эти 2 скрепки совершают машущие движения как крылья бабочки, концы этих скрепок взаимодействуют с поршнем, причем поршень и сверху и снизу от оси- карандаша, а вся эта конструкция проходит сквозь середину поршня- вот и весь двигатель- гораздо компактнее
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  15 октября, 13:21
    Ну, значит правильно представил ;) Так я и говорю, что эти кулачки будут двигаться вместе с поршнем с амплитудой равной ходу поршня, так же как и в КШМ. А КШМ тоже можно разместить в нутри поршня, тут всё зависит от соотношения диаметра и хода поршня.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  15 октября, 16:29
    ну попробуйте нарисуйте и сравните
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  13 октября, 18:50
    Алексей Варежкин 13 октября, 18:44

    Вы уже смекнули в чем дело? и готовы набросать макет нанотехнологической «камеры сгорания» с реактивным соплом обратного выброса. Маленькая батарейка и струйный двигатель готов — все топливо вокруг тебя.

    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  13 октября, 19:38
    Алексей Ромчак 13 октября, 19:12

    Насколько я понимаю Ваши большие обсуждения Теплового насоса Ильшата Тагиева как раз и сводились к петле гистерезиса, ведь по школьному курсу именно площадь петли определяет работу сил выхода?

    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  13 октября, 19:47
    Геннадий, мой вопрос адресован к Алексею и лежит в плоскости исключительно механических свойств, и их применение в трансмиссиях и ДВС.
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  13 октября, 20:11
    Статьи не читал, но в абстракте о кристаллизации ни слова, только об изменении формы жидких капель.
    ОтветитьНравится
  • Юлия Рудый  13 октября, 23:47
    For larger fields, we find further gradual enhancement of the molecular dipole reorientation and the onset of a first-order electro-crystallization transition at a field of 1.4375 V/nm. This transition is portrayed by a sharp increase in the positional order parameter, a significant decrease in the molecular diffusion, and further preferential reorientation of the dipoles. Правда, не уточняется (в абстракте) по модели это или же в реальном эксперименте.
    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  14 октября, 19:37
    Это не то. Имеется ввиду предкристаллизационный период, где наблюдается определенное упорядочение молекул в кластеры с ближним порядком подобным кристаллической решетке.
    ОтветитьНравится
  • Илья Лягин  13 октября, 20:37
    Если принять длину молнии в 1 км, то из напряжённости 1,5 В/нм суммарно получим 1,5*10^12 В. Если же вспомнить про напряжение «обычной» молнии в 1 млн В, то становится непонятно:
    а) почему вода «кристаллизуется» при меньшем напряжении, несмотря на меньший дипольный момент?
    б) насколько правдиво представление об 1 млн В? или это исследователи получили артефакт в 1,5 В/нм?..
    ОтветитьНравится
  • Александр Митькин  13 октября, 23:29
    Вода не кристаллизуется. У неё, по видимому, просто вытягиваются капли.

    Сфера Фарадея, кажется, позволяет получить большие значения постоянного напряжения.
    Некоторые другие методы позволят получить большие значения переменного напряжения.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  13 октября, 23:35
    Неудивительно, ведь механическое взаимодействие частиц вещества, в том числе и молекул — все на уровне электромагнитного поля.
    Но то что капли дождя тоже вытягиваются — слышу вперые. И что-то не замечал. Напротив, во время горзы капли делаются особенно крупными, и неправильной формы, но это уже по другой причине.
    ОтветитьНравится
  • Юлия Рудый  13 октября, 23:49
    На наше счастье, Сергей, Вы были там, где дождь, но не там где молния :) Врдя ли вы бы углядели вытягивание капель, стоя в поле в непосредственной близости от разряда. А если увидели бы, то нам всё равно не рассказали.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  14 октября, 00:08
    Юлия Рудый 13 октября, 23:49
    ;)
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  14 октября, 16:20
    Не правда Ваша. Зачем Вы меня так, лишаете всякой надежды. Говорят, после прямого попадания молнии выживает каждый 9-й.
    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  14 октября, 10:56
    Что-то видимо не понял.
    Жидкие кристаллы, при всей избитости темы их применения, это не «мягкий подход» к получению чистых кристаллитов?
    ОтветитьНравится
  • Илья Лягин  14 октября, 20:37
    Думается, в «традиционном» понимании жидких кристаллов зоны кристалличности присутствуют всегда и меняется только ориентация самих молекул в пространстве. Тут же речь идёт об организации ансамблей молекул. ИМХО.
    ОтветитьНравится
  • Я тоже занимаюсь электричеством , но под землей, от шаровых молний получаются шаровые конкреции, и взрывы в шахтах....
    ОтветитьНравится