17.03.2022 - Rice University

Modelle für Moleküle zeigen unerwartete Physik

Sich drehende magnetische Teilchen folgen überraschenderweise thermodynamischen Gesetzen

Kleine Kugeln, die in einer Flüssigkeit schweben, bewegen sich so ähnlich wie Moleküle, dass die Physik des einen dazu verwendet werden kann, die Physik des anderen zu imitieren.

Deshalb könnte die Entdeckung einiger ungewöhnlicher physikalischer Eigenschaften von Kolloiden - Partikel, die in einer Lösung wie z. B. Milch dispergiert sind - für Forscher, die biologische Wechselwirkungen untersuchen, von Interesse sein.

Die Chemie- und Biomolekularingenieurin Sibani Lisa Biswal und der Postdoktorand Kedar Joshi von der George R. Brown School of Engineering der Rice University fanden heraus, dass ein Kolloid - in diesem Fall eine Suspension mikroskopisch kleiner paramagnetischer Teilchen -, wenn es durch ein Magnetfeld angestoßen wird, immer noch dazu neigt, den Zustand mit der niedrigsten Energie anzustreben, so wie es auch bei Gasen und Flüssigkeiten der Fall ist.

"Es ist, als würde man versuchen, eine Blase in einer ungeraden Form aufzublasen", so Biswal. "Sie kehrt immer zu einer Kugel zurück."

Die Ergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, stellen die Kelvinsche Gleichung, die die thermodynamischen Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Gasen beschreibt, nicht in Frage. Aber sie dehnen die Gleichung ein wenig aus.

"Die Kelvinsche Gleichung stammt aus der klassischen Thermodynamik und sagt uns, wie flüssige und gasförmige Phasen im Gleichgewicht zueinander stehen", so Biswal. "Kedar nennt gerne das Beispiel von Wassertröpfchen: Sie behalten eine bestimmte Größe, auch wenn sie von Wasser- und Dampfphasen umgeben sind."

"Diese kolloidalen Gruppen sind wie die Tröpfchen", sagte Joshi. "Sie versuchen, kreisförmig zu bleiben, anstatt eine beliebige Form anzunehmen. Unser Gedanke war, dass diese Gleichungen nicht nur eine oder zwei, sondern jede Eigenschaft unserer Kolloide erklären sollten."

Die Studie erweitert die bisherigen Arbeiten des Labors zur Charakterisierung der Wechselwirkung von Teilchen in Lösungen. Die jüngste Studie zeigt, wie superparamagnetische Kolloide in einem schnell rotierenden Magnetfeld miteinander wechselwirken.

"Diese Arbeit fällt in den Bereich, in dem wir über Gase und Flüssigkeiten nachdenken, aber auf eine andere Art und Weise", so Biswal. "Kedar beschloss, die Formel auf unser System anzuwenden, in dem wir die Teilchen sehen, sie zählen und sie tatsächlich durch ihre 'Gas'- und kondensierten Phasen verfolgen können."

Die Ergebnisse seien überraschend gewesen, weil die Kelvin-Gleichung nicht für Systeme gedacht sei, die aus dem Gleichgewicht gebracht werden. In den Rice-Experimenten stellten die Teilchen flüssige Moleküle dar, wenn sie verklumpt waren, und Gasmoleküle, wenn sie dispergiert waren, wobei beide Eigenschaften durch das rotierende Magnetfeld gesteuert wurden, das für die Temperaturvariable der Gleichung steht.

Die Forscher brachten ihr Kolloid aus dem Gleichgewicht, indem sie es mit dem Feld drehten. Trotzdem fanden sie heraus, dass die Gleichung immer noch für die beobachteten Wechselwirkungen galt, da die Teilchen je nach Stärke des Feldes zusammenkamen oder auseinanderflogen.

"Die Teilchen folgten dem rotierenden Feld; sie sehen aus wie kleine miniaturisierte Rührstäbe", so Biswal. "Aber wenn wir die Frequenz erhöhten, stellten wir fest, dass dies eine isotrope anziehende Wechselwirkung zwischen den Teilchen erzeugte."

Die Stärke dieses schnell rotierenden Magnetfelds wurde zu einem Regler, der die "Temperatur" anhob und senkte und steuerte, ob die Teilchen zu einer Flüssigkeit kondensierten oder sich wie ein Gas verteilten. "Das System verhält sich tatsächlich so, als würde es von der Temperatur beeinflusst", sagt Joshi, der vor kurzem die Rice University verlassen hat, um an der Fakultät des Indian Institute of Technology in Goa zu arbeiten. "Wir wollten zeigen, dass es auch in Bezug auf den Dampfdruck, die Viskosität und die Oberflächenspannung das Verhalten klassischer Phasen nachahmt."

Biswal sagte, die Studie habe auch Auswirkungen auf Geräte wie Kontrollanzeigen, die Flüssigkristalle verwenden. "In der neuen Arbeit geht es um die Idee, dass es eine Koexistenz (zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase) geben kann", sagte sie. "Zu sehen, wie Magnetfelder genutzt werden können, um zu kontrollieren, wie diese Systeme in der Lage sind, koexistierende Phasen zu erreichen, ist wichtig für die Entwicklung von Materialien, die rekonfigurierbar sind oder eine gewünschte Eigenschaft haben."

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