دانش آموزی به طور تصادفی قوانین ترمودینامیک را زیر سوال برد

قوانین ترمودینامیک رابطه بین دما، انرژی و آنتروپی در یک سیستم و همچنین نحوه تعامل اجزای مختلف آن با یکدیگر را توضیح می دهد. این قوانین حتی شامل فرآیندهایی مانند امولسیون مایع می شوند.

با این حال، یک یافته جدید و غیرمنتظره نشان می دهد که دو مایع غیر قابل امتزاج، زمانی که تحت تاثیر ذرات مغناطیسی قرار می گیرند، می توانند رفتاری از خود نشان دهند که با این قوانین شناخته شده مطابقت ندارد.

محققین این کشف اذعان دارند که این پدیده در حال حاضر کاربرد عملی خاصی ندارد اما از نظر فیزیک ماده نرم حالتی است که قبلا مشاهده نشده است. همانطور که هومر سیمپسون یک بار گفت:

در این خانه ما از قوانین ترمودینامیک پیروی می کنیم. با این حال، یک کشف کاملا غیرمنتظره توسط یک دانشجو در دانشگاه ماساچوست آمهرست نشان داد که طبیعت همیشه طبق این قانون کار نمی کند.

وقتی روغن و آب رفتار متفاوتی دارند

قوانین ترمودینامیک رابطه بین دما، انرژی و آنتروپی یک سیستم را مشخص می کند و چگونگی تأثیر اجزای آن بر یکدیگر را توضیح می دهد. امولسیون سازی نمونه ای از چنین فرآیندی است. یعنی حالتی که در آن دو ماده به طور کلی غیر قابل اختلاط می توانند به یک مخلوط یکنواخت تبدیل شوند.

به عنوان مثال، روغن موجود در کره بادام زمینی به طور طبیعی از قسمت های دیگر جدا می شود و در بالای ظرف می نشیند. به همین دلیل قبل از استفاده باید مخلوط شود. برخی از شرکت ها نیز موادی به نام امولسیفایر را به محصولات اضافه می کنند تا از جدا شدن این ترکیبات جلوگیری کنند. همه این فعل و انفعالات را می توان بر اساس قوانین ترمودینامیک توضیح داد.

توماس راسل، دانشمند تحقیقاتی ارشد در دانشگاه ماساچوست آمهرست و نویسنده اصلی مقاله منتشر شده در مجله Nature Physics، در بیانیه ای گفت.

یک بطری از سس سالاد ایتالیایی مورد علاقه خود را تصور کنید. این سس از روغن، آب و ادویه تشکیل شده است و قبل از ریختن روی سالاد آن را تکان می دهید تا همه مواد با هم مخلوط شوند.

این امولسیون در عمل است. اما همین روند در آزمایشگاهی در آمهرست به طرز عجیبی تغییر کرد. جایی که دانشجوی فارغ التحصیل آنتونی رایش مخلوطی از دو مایع غیرقابل اختلاط با ذرات نیکل مغناطیسی را تهیه کرد.

برخلاف انتظار، این مواد به روش معمول ترکیب نشدند. در عوض، مخلوط به شکل کوزه های یونان باستان بود. شکلی که محققان آن را با کوزه یونانی مقایسه کرده اند.

نقش عجیب ذرات مغناطیسی نیکل

رایش برای یافتن دلیل این رفتار به سراغ اساتید دانشگاه رفت و بیشتر با دانشمندان دانشگاه سیراکیوز و دانشگاه تافتس همکاری کرد. شبیه‌سازی‌های دقیق در نهایت نشان داد که وقتی نیروی مغناطیسی وارد بر دو مایع به اندازه کافی زیاد باشد، مرز بین آنها می‌تواند خم شود و منحنی تشکیل دهد.

این تغییر شکل، فرآیند امولسیون سازی را مختل می کند. فرآیندی که باید طبق قوانین ترمودینامیک به شیوه ای متفاوت پیش برود. حتی با تکان دادن شدید مخلوط مغناطیسی، مایعات پس از مدتی به شکل اولیه خود بازگشتند.

هوگلند در توضیح این پدیده گفت:

اگر به تک تک نانوذرات مغناطیسی نیکل که رابط بین آب و روغن را تشکیل می‌دهند، بسیار دقیق نگاه کنید، می‌توانید اطلاعات بسیار دقیقی در مورد نحوه تناسب اشکال مختلف این مواد با هم به دست آورید. در این حالت، ذرات به شدت مغناطیسی می شوند که تجمع آنها در فرآیند امولسیون سازی اختلال ایجاد می کند. فرآیندی که با قوانین ترمودینامیک توضیح داده می شود.

رایش همچنین اعتراف کرد که این کشف در حال حاضر کاربرد عملی فوری ندارد، اما از نظر علمی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، زیرا با حالتی مواجه هستیم که در فیزیک ماده نرم مشاهده نشده است. این پدیده می تواند به گسترش و توسعه حوزه فیزیک ماده نرم در آینده کمک کند.