Zespół austriackich naukowców dokonał intrygującego odkrycia, jak cząstki w cieczach mogą układać się w zorganizowany sposób. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters naukowcy z Politechniki Wiedeńskiej i Uniwersytetu w Wiedniu napisali, że ciecz niekoniecznie musi składać się z nieuporządkowanej masy cząstek. W toku prowadzonych badań ujawnili tajemnicze struktury tworzone przez malutkie cząstki unoszące się w cieczach. Wydaje się, że pod wpływem naprężenia mechanicznego skupiska cząstek w cieczach mogą samorzutnie tworzyć ciągi radykalnie zmieniając właściwości cieczy.

Naukowcy przeanalizowali symulacje komputerowe płynnej krwi, atramentu i kleiku, które zawierały małe zawieszone cząstki lub "koloidy". W niektórych z tych płynów cząstki tworzą skupiska, które z kolei układają się w regularne struktury, w taki sam sposób jak atomy w kryształach. Dzięki analizie substancji podobnych do kryształów naukowcy byli w stanie ustalić, że pod wpływem naprężenia mechanicznego model krystaliczny może zmienić się w inną strukturę, a nawet całkowicie zaniknąć.

Jeżeli małe cząstki potrafią się gromadzić, to mogą tworzyć skupiska, a w skupiskach mogą zachodzić na siebie i mieszać się. Co zaskakujące skupiska te nie są rozmieszczone losowo, raczej samorzutnie tworzą regularną strukturę - taki "kryształ skupiskowy". Naukowcy zaobserwowali, jak na początku struktura kryształu zaczyna topnieć, a powiązania między skupiskami rozrywają się. Rozbite skupiska cząstek dają początek nowemu, regularnemu porządkowi, który pojawia się samorzutnie, a cząstki układają się w długie, proste ciągi, starannie ułożone wzdłuż siebie.

Arash Nikoubashman, naczelny autor raportu z badań i pracownik Politechniki Wiedeńskiej, wyjaśnia: "Zwiększanie się gęstości cząstek powoduje dodawanie do każdego skupiska kolejnych cząstek, niemniej odległość między nimi pozostaje taka sama."

Podczas powstawania ciągów ciecz staje się rzadsza i mniej lepka. Dzieje się tak dlatego, że ciągi są w stanie przesuwać się względem siebie. W przypadku przyłożenia jeszcze większego naprężenia, ciągi również pękają i pozostaje to, co można opisać jako "rozbity, nieuporządkowany zespół skupisk cząstek", czemu z kolei towarzyszy ponowny wzrost lepkości cieczy. Coraz więcej cząstek jest wymywanych ze swoich pierwotnych pozycji, hamując przepływ. To zachowanie jest wspólne dla wszystkich typów kryształów skupiskowych.

Ostatnie badania opierają się na wcześniejszych pracach przeprowadzonych w tej dziedzinie, które już ujawniły, że cząstki mogą wykazywać dziwne zachowania przy określonych warunkach zewnętrznych.

Wykraczając poza teorię, odkrycia te mają znaczenie dla szerokiego zakresu zastosowań praktycznych - od badań nad krwią i dużymi biopolimerami, jak DNA, po konstruowanie tłumików drgań i odzieży ochronnej. Mają też istotne znaczenie dla biotechnologii, jak również petrochemii i farmakologii oraz każdej dziedziny wykorzystującej nanomateriały przygotowane na miarę.

Referencje dokumentu: Nikoubashman, A. et al. (2011) Cluster Crystals under Shear. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.068302.

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS