Активные жидкости — системы из самоходных частиц, таких как бактерии, клетки или коллоиды, — движутся, потребляя энергию, и текут без внешнего воздействия 🌀 [1]. Они нарушают классические законы гидродинамики: могут спонтанно менять направление, организовываться в сложные паттерны и создавать порядок без контроля извне. Изначально их изучали для понимания биологических процессов, но теперь они стали ключом к неравновесной физике 🔬. Однако экспериментальные системы, точно соответствующие математическим моделям, встречаются редко.
Учёные из Лионского университета (Франция) Камиль Хорхе и Дени Бартоло показали, что течение активной жидкости в 2D-решетке микроканалов идеально описывается шестивершинной моделью 🎯 — одной из первых точных моделей статистической механики для взаимодействующих частиц в решётке [2]. Это открытие удивительно: жидкость вдали от равновесия ведёт себя точно так же, как теоретическая модель, созданная для описания… льда с хаотичным распределением протонов! 🧊 Это может помочь в создании новых материалов.
В неограниченной среде активные жидкости хаотичны: вихри, струи, спонтанное нарушение симметрии 🌪️. Чтобы управлять ими, учёные используют геометрическое ограничение — создают границы (пластины, столбики, соединения), которые упорядочивают движение [1]. Так удалось контролировать турбулентность [3] и открыть новые законы масштабирования [4] 📊.
Шестивершинная модель (или «ледяная модель») появилась в 1930-х для объяснения аномальной энтропии льда ❄️ [5]. Каждый узел решётки подчиняется «ледяному правилу»: две стрелки входят в узел, две выходят. Хотя модель не объяснила поведение льда, она стала основой для изучения магнетизма, сегнетоэлектриков и квантовых спиновых цепочек. И вот теперь она ожила в эксперименте!
В основе эксперимента — 2D-решетка микроканалов с коллоидными роллерами 🏎️. Под действием электрического поля эти частицы катятся по поверхности, создавая течение. В узлах решётки соблюдается локальное сохранение массы: два канала втекают, два вытекают — как в «ледяном правиле» (Рис. 1) 🔄.
Добавив цилиндрические столбики в узлы, учёные смогли управлять паттернами течения, меняя частоту конфигураций и вызывая фазовый переход из беспорядка в упорядоченное состояние 🌐. Это повторяет предсказания шестивершинной модели! Траектории частиц образовали петли, соответствующие модели плотноупакованных петель — точному аналогу шестивершинной модели.
Совпадение теории и эксперимента беспрецедентно 🌟: распределение размеров петель, их фрактальная размерность (7/4 для больших, 4/3 для малых) и корреляции совпали с аналитическими предсказаниями. Это превращает активные жидкости в «решатели» задач статистической механики! 💡 Теперь модель можно реализовать физически, меняя параметры через дизайн микроканалов, а не код.
Открытие открывает новые пути:
- Теоретики могут изучать системы с большей координацией или 3D-геометрией 📐.
- Экспериментаторы — проверять применимость «гидравлических правил» к другим активным средам, включая вязкоупругие материалы 🧪 [6].
- Активные жидкости станут платформой для проверки полевых теорий, а микрогидродинамика — инструментом для робототехники и биологии 🧬 [8].
Это напоминание: даже абстрактные теории могут ожить в реальности, если смотреть на них творчески 🌌.
—
Токамаки и новый способ отвода тепла
Среди проектов термоядерных реакторов выделяется токамак — «бублик» с магнитным полем, удерживающим плазму 🧲. Но часть плазмы всё же взаимодействует со стенками, повреждая их. Учёные из EPFL (Швейцария) нашли эффективный метод отвода избыточного тепла 🔥 [1].
Эксперимент провели на токамаке TCV в EPFL. Как и в других современных установках, здесь есть X-точка — место, где силовые линии магнитного поля пересекаются, создавая «воронку» (дивертор) для отвода продуктов реакции. В 2015 году на немецком токамаке обнаружили, что плазма в X-точке активно излучает, рассеивая тепло 🌡️.
Команда EPFL добавила вторую X-точку в дивертор, создав X-целевой радиатор (XPTR). Это усилило полезное излучение, а условия для заполнения XPTR плазмой оказались простыми и контролируемыми 💡. Метод можно применить в SPARC — реакторе нового поколения от Commonwealth Fusion Systems и MIT.
– Чарльз Дэй
Редактор журнала «Physics Magazine»