Учёные из Льежского университета научились управлять поверхностью воды, используя поверхностное натяжение. Они напечатали на 3D-принтере близко расположенные шипы, которые объединили мениски и создали запрограммированные жидкие рельефы. Эти рельефы могут направлять частицы под действием одной только силы тяжести. Это перспективное достижение для микроскопического транспорта и сортировки, а также для борьбы с морским загрязнением. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Что такое мениск?
Попробуйте наклонить жидкость в стакане. Она автоматически возвращается в горизонтальное положение… за исключением небольшой, едва заметной кривизны, которая образуется у края стакана. Эта кривизна называется мениском. Он возникает из-за капиллярности — силы, действующей на миллиметровом масштабе и возникающей из-за поверхностного натяжения жидкости.
Как учёные создают жидкие ландшафты?
Что, если бы мы могли создать множество маленьких менисков на большой поверхности? Что, если бы эти маленькие рельефы могли складываться в склоны, долины или даже целые ландшафты… жидкие? Именно это и удалось учёным из лаборатории GRASP Льежского университета в сотрудничестве с Университетом Брауна (США).
Используя свой опыт в области жидкостей и доступное передовое оборудование для 3D-печати, команда GRASP занялась печатью «моделей», «игровых площадок», пытаясь подтвердить свою теорию: 3D-печать конических шипов достаточно близко друг к другу может деформировать поверхность воды в большом масштабе.
«Как мы знаем, каждый шип создаёт вокруг себя мениск», — объясняет физик Меган Деленс. «Это означает, что если мы правильно их выровняем и расположим достаточно близко, мы должны увидеть появление своего рода гигантского мениска, возникающего в результате наложения и сложения каждого индивидуального 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, которые следуют всем видам топографии: наклонным плоскостям, полушариям, но также и более сложным формам. 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 мраморные 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, как если бы они скользили по склону водяной горки».
Этот полностью пассивный подход можно использовать в микроманипуляциях, сортировке частиц или даже очистке жидких поверхностей, например, для улавливания микропластика или капель нефти на поверхности воды.
Прорыв в исследовании квантовых материалов
Исследователи из Сент-Эндрюсского университета установили новый стандарт точности в изучении фундаментальной физики квантовых материалов. Работа имеет значение для материаловедения, передовых вычислений и подтверждает почти столетнее предсказание.
Магнитоэластическая связь
Исследователи изучили магнитоэластическую связь — изменение размера или формы материала под воздействием магнитного поля. Обычно это небольшой эффект, но с технологическими последствиями.
Команда из Школы физики и астрономии Сент-Эндрюсского университета 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 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. Работа требовала сверхспокойной среды, поскольку звуковые волны могут уже заставить прибор двигаться и нарушить измерения. Исследование проводилось с использованием специально разработанных микроскопов в лабораториях со сверхнизкими вибрациями в Сент-Эндрюсском университете. 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 Сент-Эндрюсского университета сказала: «Мы обнаружили, что можем контролировать намагниченность поверхности отдельно от самого материала, что позволило нам напрямую измерить тонкие сдвиги в электронных состояниях».
Профессор Питер Валь сказал: «Наше исследование не только подтверждает теоретические предсказания качественного поведения, сделанные почти столетие назад, но и открывает новые пути к пониманию сложного взаимодействия между структурными, электронными и магнитными свойствами в квантовых материалах. Оно подчёркивает важность корреляций между электронами в этом взаимодействии».