Quando due sostanze si uniscono, alla fine si sistemeranno in uno stato stazionario chiamato equilibrio termodinamico; esempi includono l'olio che galleggia sopra l'acqua e il latte che si mescola uniformemente nel caffè. I ricercatori della Aalto University in Finlandia volevano distruggere questo tipo di stato per vedere cosa succede e se possono controllare il risultato.

"Le cose in equilibrio tendono ad essere piuttosto noiose, "dice il professor Jaakko Timonen, il cui gruppo di ricerca ha svolto un nuovo lavoro pubblicato in Progressi scientifici il 15 settembre. "È affascinante portare i sistemi fuori equilibrio e vedere se le strutture di non equilibrio possono essere controllate o essere utili. La vita biologica stessa è un buon esempio di comportamento veramente complesso in un gruppo di molecole che sono fuori dall'equilibrio termodinamico".

Nel loro lavoro, il team ha utilizzato combinazioni di oli con diverse costanti dielettriche e conducibilità. Hanno quindi sottoposto i liquidi a un campo elettrico.

"Quando accendiamo un campo elettrico sulla miscela, la carica elettrica si accumula all'interfaccia tra gli oli. Questa densità di carica taglia l'interfaccia fuori dall'equilibrio termodinamico e in formazioni interessanti, " spiega il dott. Nikos Kyriakopoulos, uno degli autori del saggio. Oltre ad essere disturbato dal campo elettrico, i liquidi erano confinati in un sottile, foglio quasi bidimensionale. Questa combinazione ha portato gli oli a rimodellare in varie goccioline e modelli completamente inaspettati.

Le goccioline nell'esperimento potrebbero essere trasformate in quadrati ed esagoni con lati diritti, che è quasi impossibile in natura, dove piccole bolle e goccioline tendono a formare sfere. I due liquidi potrebbero anche essere fatti formare in reticoli interconnessi:schemi a griglia che si verificano regolarmente nei materiali solidi ma sono sconosciuti nelle miscele liquide. I liquidi possono anche essere persuasi a formare un toroide, a forma di ciambella, che era stabile e manteneva la sua forma mentre il campo veniva applicato, a differenza della natura, poiché i liquidi hanno una forte tendenza a collassare e riempire il foro al centro. I liquidi possono anche formare filamenti che rotolano e ruotano attorno a un asse.

"Tutte queste strane forme sono causate e sostenute dal fatto che è loro impedito di tornare in equilibrio dal movimento delle cariche elettriche che si accumulano all'interfaccia, "dice Geet Raju, il primo autore del saggio.

Uno dei risultati entusiasmanti di questo lavoro è la capacità di creare strutture temporanee di dimensioni controllate e ben definite che possono essere accese e spente con tensione, un'area che i ricercatori sono interessati a esplorare ulteriormente per la creazione di dispositivi ottici a tensione controllata. Un altro potenziale risultato è la capacità di creare popolazioni interagenti di microfilamenti rotolanti e microgoccioline che, a qualche livello elementare, imitano le dinamiche e il comportamento collettivo di microrganismi come batteri e microalghe che si muovono utilizzando meccanismi completamente diversi.

La ricerca è stata svolta presso il Dipartimento di Fisica Applicata nel gruppo di ricerca Active Matter, guidato dal professor Timonen. Il documento "Diversity of non-equilibrium patterns and emergence of activity in confinated electrohydrodynamically driven liquids" è pubblicato ad accesso libero in Progressi scientifici .