Дихлорметан в воде принял форму греческой амфоры благодаря ферромагнитным частицам

Физики стабилизировали границу раздела двух жидкостей (воды и дихлорметана) с помощью никелевых ферромагнитных частиц, которые подавили эффект эмульгирования, а также увеличили силу поверхностного натяжения между фазами. Как итог после перемешивания одна из жидкостей приняла форму греческой амфоры и сохранила ее даже после встряхивания. Это первая работа, в которой ученые получили стабильную структуру одной жидкости внутри другой в масштабе сантиметров. Результаты исследования опубликованы в Nature Physics.

Если диспергировать в две несмешивающиеся жидкости немного микроскопических частиц, то последние соберутся на границе раздела и минимизируют общую свободную энергию системы за счет уменьшения межфазного натяжения. При большой энергии связи частиц с одной из жидкостей образуется монослой, который будет удерживать форму в метастабильном состоянии, как например, в случае эмульсии Пикеринга.

Однако подобное связывание не способствует образованию крупных структур, поскольку при малейшем возмущении среды такие структуры разрушаются без внутренних механизмов быстрого самовосстановления. Поэтому наибольший размер капель эмульсии, стабилизированной немагнитными частицами, в предыдущих работах исследователей составлял десятки микрометров.

Теперь физики из США и Японии совместно с Томасов Расселлом (Thomas Russell) из Массачусетского университета в Амхерсте смогли перейти на сантиметровый масштаб. Ученые обнаружили, что ферромагнитные частицы, добавленные в две жидкости, не только подавили эмульгирование, но и привели к тому, что граница раздела жидкость-жидкость приняла устойчивую форму греческой амфоры макроскопического размера.

Ученые смешали дихлорметан, воду и тетрабутиламмоний перхлората, в который добавили ферромагнитные частицы никеля размером 20 нанометров в одном эксперименте и 5-15 микрометров в другом. В такой смеси большой гидрофобный катион и маленький гидрофильный анион тетрабутиламмония перхлората по-разному распределились на границе раздела фаз масло-вода, создав поверхностный потенциал со стороны воды. Этот потенциал притянул отрицательно заряженные частицы, связав их электростатически, а магнитное взаимодействие между частицами задало форму всей структуры.

Физики исследовали крупномасштабные структуры, смешав по два миллилитра раствора тетрабутиламмония перхлората в дихлорметане с водой и никелевыми частицами, поместив смесь в стеклянные сосуды с гидрофобными и гидрофильными стенками. В первом случае жидкость быстро перестроилась, образовав слегка вогнутую границу раздела дихлорметан-вода, а во втором случае вода окружила почти целиком дихлорметан на дне. При этом структура меняла свою форму в обоих экспериментах при добавлении и удалении из сосуда воды или дихлорметана. Последний после извлечения был прозрачным, что доказало распределение ферромагнитных частиц именно вдоль границы раздела.

Авторы работы отметили, что созданная ими ловушка для удержания одной жидкости внутри другой работала и при включенном внешнем магнитном поле, и при его отсутствии. В последнем случае частицы упорядочились, когда безразмерный параметр связи, равный отношению энергии парного магнитного взаимодействия к тепловой энергии, был намного больше единицы (максимальное значение этого параметра в эксперименте составило приблизительно 10⁵).

О том, как из наночастиц сделали жидкие капли постоянного магнита, мы писали ранее.