Физики сделали «атомы» из капель воды и масла

Ученые из Института физической химии Польской Академии наук создали «мезо-атомы» — устойчивые и упорядоченные структуры, образованные несколькими каплями воды в капле масла. Авторам удалось построить фазовую диаграмму таких систем и описать их устойчивость в терминах капиллярных и объемных сил. «Мезо-атомы» могут применяться, например, для синтеза наночастиц сложного строения или для печати материалов, подобных биологическим тканям. Новая работа опубликована в Physical Review Letters.

Название «атомы» к данным мезоструктурам авторы применяют в потому, что они образуют устойчивые ансамбли практически по тем же причинам, что элементарные частицы образуют атом. Речь идет о том, что в результате многих взаимодействий между несколькими частицами возникает устойчивая пространственная конфигурация, в которой энергия взаимодействия минимальна. Так, например, возникают устойчивые кластеры. Приставка «мезо-» в названии подчеркивает, что описанные структуры образуются на других масштабах, нежели «настоящие» атомы, однако по некоторым параметрам их напоминают.

Для получения мезо-атомов в новой работе ученые использовали микрофлюидное устройство. В тонкий канал, в котором протекал раствор поверхностно-активного вещества, добавляли капли воды, которые на следующем шаге помещали в большую каплю масла. В итоге образовывалась сложная структура, внутри которой были упакованы капли воды, разделенные тонкими пленками поверхностно-активного вещества. Форма, размер и характер упаковки таких мезо-атомов зависел от количества капель воды, объемной доли воды в масле, а также ряда внешних параметров.

Авторы также построили фазовую диаграмму для их системы в полном диапазоне объемной доли φ жидкостей (от 0 до 100%) и для числа капель N от трех до одиннадцати. Оказалось, что при малых φ внутри капли не происходило никакой упаковки, однако при повышении доли воды в системе возникали три различных типа структур. Почти для всех полученных структур ученые также определили пространственную группу симметрии.

Вначале (при малых φ) капли воды упаковывались так, как будто они были твердыми шарами — задачи о таких структурах хорошо известны в геометрии. При этом форма внешней оболочки оставалась сферической. При увеличении доли воды капли больше не помещались в регулярную упаковку и начинали деформироваться. При этом итоговые внешние структуры теряли сферическую форму. Если φ увеличивали и дальше, образовывались вытянутые мезо-атомы, напоминавшие сетку для лука: капли в них были упакованы одна за одной.

Авторы отмечают, что описанные ими системы резко отличаются от традиционных для коллоидной науки кластеров и агрегатов частиц. Все дело в том, что в случае мезо-атомов в системе появляется еще один фактор — возможность деформации, благодаря чему резко расширяется количество возможных устойчивых структур.