Физики из Льежского университета научились создавать рельеф на поверхности воды, используя поверхностное натяжение. С помощью 3D-печати близко расположенных шипов они объединили мениски, чтобы создать запрограммированные жидкие рельефы, способные направлять частицы под действием одной только силы тяжести. Это перспективный шаг вперёд для микроскопического транспорта и сортировки, а также для борьбы с морским загрязнением. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41467-025-59483-x) в журнале Nature Communications.
Как работает этот метод?
Вы когда-нибудь пытались наклонить жидкость в стакане? Это совершенно невозможно. Если наклонить стакан, поверхность жидкости автоматически вернётся в горизонтальное положение… за исключением небольшого — едва заметного — искривления, которое образуется у края стакана. Это искривление называется мениском. И этот мениск возникает из-за капиллярности — силы, действующей в миллиметровом масштабе и возникающей из-за поверхностного натяжения жидкости.
Что произойдёт, если мы сможем создать множество маленьких менисков на большой поверхности? Что, если эти небольшие рельефы смогут складываться в наклонные плоскости, долины или даже целые ландшафты… жидкие? Именно это и удалось сделать учёным из лаборатории GRASP Льежского университета в сотрудничестве с Университетом Брауна (США).
Используя свой опыт в области жидкостей и, в частности, жидких интерфейсов, а также доступное передовое оборудование для 3D-печати, команда GRASP приступила к печати нескольких «моделей», нескольких игровых площадок, пытаясь подтвердить свою теорию: 3D-печать конических шипов, достаточно близко расположенных друг к другу, чтобы деформировать поверхность воды в большом масштабе.
«Как мы знаем, каждый шип создаёт мениск вокруг себя», — объясняет физик Меган Деленс. «Следуя этой логике, это означает, что если мы правильно их выровняем и расположим достаточно близко друг к другу, мы должны увидеть появление своего рода гигантского мениска, возникающего в результате наложения и сложения каждого отдельного мениска».
Команда обнаружила, что, изменяя каждый шип по отдельности, поверхность жидкости больше не остаётся плоской, а формирует своего рода «запрограммированный» жидкий ландшафт. «Запрограммированный» — потому что, изменяя высоту или расстояние между шипами, исследователи смогли создать жидкие интерфейсы, повторяющие самые разные топографии: наклонные плоскости, полусферы, но также и более сложные формы. Например, им удалось создать Атомиум в Брюсселе в жидком рельефе.
Но это ещё не всё. «Этот метод также предлагает новый способ перемещения и сортировки плавучих объектов, таких как шарики, капли или пластиковые частицы», — объясняет профессор Николас Вандевалле, физик и директор лаборатории. «Когда поверхность жидкости наклонена, более лёгкие объекты поднимаются благодаря силе Архимеда, а более плотные опускаются под действием собственного веса, словно скользя по водяному холму».
Этот полностью пассивный подход может быть использован в микроманипуляциях, сортировке частиц или даже очистке жидких поверхностей, например, для улавливания микропластика или капель нефти на поверхности воды.
Будущие исследования могут быть направлены на поиск более совершенных способов перемещения маленьких наконечников, например, с помощью материалов, реагирующих на магнитные поля или способных менять форму. «Идея заключалась бы в том, чтобы иметь возможность управлять формой жидкой поверхности в режиме реального времени. Эти достижения сделали бы этот метод ещё более полезным для разработки инновационных новых технологий в области микрогидродинамики», — заключает Деленс.
Новое слово в точности исследований фундаментальной физики в квантовых материалах
Исследователи из Университета Сент-Эндрюс установили новый стандарт точности, с которой учёные могут исследовать фундаментальную физику в квантовых материалах. Работа имеет значение для материаловедения, передовых вычислений и подтверждает предсказание, которому почти сто лет.
Исследователи изучили магнитоупругую связь — изменение размера или формы материала под воздействием магнитного поля. Обычно это небольшой эффект, но имеющий технологические последствия.
Команда из Школы физики и астрономии Университета Сент-Эндрюс обнаружила, что этот эффект удивительно велик в случае, когда его не ожидали — в оксиде переходного металла. Оксиды — это химическое соединение, содержащее по крайней мере один атом кислорода и один другой элемент в своей химической формуле. Высокотемпературные сверхпроводники — один из наиболее ярких примеров оксида переходного металла.
В своём исследовании, [опубликованном](https://www.nature.com/articles/s41567-025-02893-x) сегодня в Nature Physics, команда — в сотрудничестве с CNR-SPIN, Италия, и Университетом Бонна — демонстрирует, как тонкие изменения в магнитном выравнивании атомов оказывают лишь незначительное влияние на электронные состояния, но драматическое воздействие на структурные свойства, заставляя материал растягиваться или сжиматься. Исследователи использовали сверхнизкотемпературную сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) для обнаружения этих изменений.
Эта работа требовала сверхспокойной среды, поскольку звуковые волны могут уже заставить прибор двигаться и нарушить измерения. Исследование проводилось с использованием специальных микроскопов в лабораториях со сверхнизкой вибрацией в Университете Сент-Эндрюс. Инструменты позволяют обнаруживать изменения размером всего в несколько сотен фемтометров — единица длины, соответствующая примерно одной квадриллионной метра.
Команда обнаружила, что изменения напрямую подтвердили предсказания кривой Бете-Слейтера — фундаментальной концепции, впервые предложенной в 1930-х годах для описания взаимодействия между магнитным порядком и атомными расстояниями. Хотя изначально она была разработана для описания магнетизма в элементарных металлах, авторы продемонстрировали, что здесь она остаётся в силе для сложного оксидного материала.
Примечательно, что изменения, которые они смогли измерить, были намного больше, чем предсказывали текущие теоретические модели. Взаимодействие магнетизма и кристаллической структуры также может быть важным в других оксидах переходных металлов.
Ведущий автор доктор Каролина Маркуес из Университета Сент-Эндрюс сказала: «Мы обнаружили, что можем управлять намагничиванием поверхности отдельно от самого материала, что позволило нам напрямую измерить тонкие сдвиги в электронных состояниях».
«Эти изменения связаны с тем, как магнитные моменты поверхностных и подповерхностных слоёв выравниваются параллельно или антипараллельно, что позволяет нам обнаруживать крошечные структурные изменения с разрешением в субпикометровом диапазоне. Один пикометр примерно в сто раз меньше радиуса атома».
«Наши выводы также могут привести к инновационным методам считывания магнитных состояний чисто электронным или структурным способом, что потенциально может революционизировать технологии хранения данных», — добавила она.
Профессор Питер Валь сказал: «Наше исследование не только подтверждает теоретические предсказания качественного поведения, сделанные почти сто лет назад, но и открывает новые пути к пониманию сложного взаимодействия между структурными, электронными и магнитными свойствами в квантовых материалах. Это подчёркивает важность корреляций между электронами в этом взаимодействии».
«Корреляции и их влияние на то, как атомы располагаются в материале, лежат в основе таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость, и лучшее их понимание может проложить путь к повышению стабильности сверхпроводимости и сделать материалы более полезными для новых и более экологичных технологий», — заключил он.