Электрическое поле превратило жидкость в твёрдое тело

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.

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).

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, имеют достаточно большой электрический дипольный момент".

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