Wanneer twee stoffen bij elkaar worden gebracht, ze zullen uiteindelijk bezinken in een stabiele toestand die thermodynamisch evenwicht wordt genoemd; voorbeelden zijn olie die op water drijft en melk die gelijkmatig in koffie wordt gemengd. Onderzoekers van de Aalto University in Finland wilden dit soort staat verstoren om te zien wat er gebeurt - en of ze de uitkomst kunnen beheersen.

"Dingen in evenwicht zijn nogal saai, " zegt professor Jaakko Timonen, wiens onderzoeksgroep nieuw werk heeft uitgevoerd dat is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 15 sept. "Het is fascinerend om systemen uit evenwicht te brengen en te zien of de niet-evenwichtsstructuren kunnen worden gecontroleerd of nuttig zijn. Het biologische leven zelf is een goed voorbeeld van echt complex gedrag in een stel moleculen die uit thermodynamisch evenwicht zijn."

In hun werk, het team gebruikte combinaties van oliën met verschillende diëlektrische constanten en geleidbaarheid. Vervolgens onderwierpen ze de vloeistoffen aan een elektrisch veld.

"Als we een elektrisch veld over het mengsel aanzetten, elektrische lading accumuleert op het grensvlak tussen de oliën. Deze ladingsdichtheid schuift het grensvlak uit het thermodynamisch evenwicht en in interessante formaties, " legt Dr. Nikos Kyriakopoulos uit, een van de auteurs van het artikel. Behalve dat het wordt verstoord door het elektrische veld, de vloeistoffen waren opgesloten in een dunne, bijna tweedimensionale plaat. Deze combinatie leidde ertoe dat de oliën een nieuwe vorm kregen in verschillende totaal onverwachte druppeltjes en patronen.

Van de druppeltjes in het experiment konden vierkanten en zeshoeken worden gemaakt met rechte zijden, wat in de natuur bijna onmogelijk is, waar kleine belletjes en druppeltjes de neiging hebben om bollen te vormen. De twee vloeistoffen zouden ook kunnen worden gevormd tot onderling verbonden roosters:rasterpatronen die regelmatig voorkomen in vaste materialen, maar ongehoord zijn in vloeibare mengsels. De vloeistoffen kunnen zelfs worden overgehaald om een ​​torus te vormen, een donutvorm, die stabiel was en zijn vorm behield terwijl het veld werd aangelegd - in tegenstelling tot in de natuur, omdat vloeistoffen een sterke neiging hebben om in te klappen en het gat in het midden te vullen. De vloeistoffen kunnen ook filamenten vormen die rond een as rollen en roteren.

"Al deze vreemde vormen worden veroorzaakt en in stand gehouden door het feit dat wordt voorkomen dat ze weer in evenwicht komen door de beweging van de elektrische ladingen die zich op het grensvlak opbouwen, " zegt Geet Raju, de eerste auteur van het artikel.

Een van de opwindende resultaten van dit werk is de mogelijkheid om tijdelijke structuren te creëren met een gecontroleerde en goed gedefinieerde grootte die met spanning kan worden in- en uitgeschakeld, een gebied dat de onderzoekers verder willen verkennen voor het maken van spanningsgestuurde optische apparaten. Een ander potentieel resultaat is het vermogen om interagerende populaties van rollende microfilamenten en microdruppels te creëren die, op een elementair niveau, bootsen de dynamiek en het collectieve gedrag na van micro-organismen zoals bacteriën en microalgen die zichzelf voortstuwen met behulp van totaal verschillende mechanismen.

Het onderzoek is uitgevoerd bij de faculteit Technische Natuurkunde in de onderzoeksgroep Active Matter, onder leiding van professor Timonen. Het artikel "Diversiteit van niet-evenwichtspatronen en opkomst van activiteit in opgesloten elektrohydrodynamisch aangedreven vloeistoffen" is open access gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .