Fizičari pretvorili tekuće stanje u kruto koristeći električno polje
„Ovdje je došlo do Eureka trenutka,“ rekao je Landman. „Kada se je jačina polja u simulacijama još više pojačavala, dosegnuvši vrijednost blizu 1,5V/nm, tekuća igla je prošla kroz promjenu stanja, tj. skrućivanje koje se manifestiralo zamrzavanjem difuzijskog pokreta te kulminiralo formacijom jednog kristala formamida kojeg karakterizira struktura koja se razlikuje od rendgenske kristalografske strukture koja je utvrđena godinama prije pod uvjetima nultog polja.“ nadodao je.
Daljnja je analiza pokazala da kristalizacija uključuje formiranje molekula u specifičnu prostornu rešetku koja optimizira interakcije između pozitivnih i negativnih krajeva dipola susjednih molekula, što za posljedicu ima minimaliziranje slobodne energije u kristalnoj igli. Kada se potom električno polje koje se primjenjivalo na kapljicu smanji, kristalna igla se ponovno otapa te pri nultom polju sferna kapljica povrati svoj kuglasti oblik.
Analiza mikroskopskih strukturalnih promjena koje su odgovorne za reakciju kapljice na električno polje otkrile su da prilikom promjene oblika pri 0,5V/nm dolazi do naglog povećanja stupnja reorijentacije električnih dipola molekule, koji se nakon promjene nalaze uzduž smjera primijenjenog električnog polja i podudaraju se sa dugačkom osi iglaste kapljice. Smjerna dipolna orijentacija, koja u biti slijedi nakon elektrokristalizacijske promjene polja, razbija simetriju i transformira kapljicu u faroelektrično stanje koje je inducirano poljem i gdje ona dobiva veliki mrežni električni dipol, što je suprotno njenom nepolariziranom stanju pri uvjetima nultog polja.
Uz velike kompjuterske simulacije, istraživači su formulirali analitički bezenergetski model koji opisuje ravnotežu između polarizacije, međupovršinske napetosti i dielektrične zasićenosti. Ovaj je model dao rezultate koji su se podudarali sa eksperimentima kompjuterske simulacije, što je omogućilo stvaranje teoretskog okvira za razumijevanje reakcija dielektričnih kapljica pri primijenjenim poljima.
„Ovo je istraživanje otkrilo fascinantna svojstva velike skupine materijala pod utjecajem primijenjenog polja,“ rekao je Landman. „Oblik induciran poljem i kristalizacijska promjena nastali su zato što formamid, kao i vodu i mnoge druge materijale, karakterizira relativno veliki električni dipolni moment. Istraživanje je demonstriralo mogućnost primjene vanjskih polja kako bi se usmjeravao i kontrolirao oblik, agregacijska faza (i.e. kruto ili tekuće) te svojstva određenih materijala.“
Uz temeljni interes za razumijevanjem mikroskopskih izvora ponašanja materijala, ovo istraživanje može dovesti do razvijanja kontrole materijala pomoću induciranog polja na raznim područjima, od ciljanih ispostava lijekova, nanoenkapsulacije, tiskanja nanostruktura i površinskih uzoraka, pa sve do aerosolnih znanosti, elektrosprejnog pogona i ekoloških znanosti.
Slika: Promjene oblika i predviđena elektrokristalizacija kapljice formamida veličine 10nm, dobivena simulacijom molekularne dinamike. Vertikalna os pokazuje omjer visine i širine duge i kratke osi...
Izvor: Georgia Institute of Technology