Впервые феномен изменения формы капель под воздействием электрического поля описал физик Джеффри Ингрэм Тейлор (Geoffrey Ingram Taylor) в 1964 году. Он изучал влияние молнии на дождевые капли и установил, что в отсутствие поля капли имеют сферическую форму, а под его воздействием превращаются в подобие игл (фото с сайта old.lms.ac.uk).

Физики из США провели фазовое превращение материала, воздействуя на него лишь электрическим полем, – в ходе необычного процесса жидкий материал сформировал кристаллиты.

Учёные из технологического института Джорджии создали компьютерные модели и показали, что нанокапли некоторых материалов могут стать твёрдыми, хотя окружающие условия (температура и давление) останутся теми же, то есть изменение агрегатного состояния произойдёт без изменения термодинамических параметров. Переход повлечёт воздействие очень сильного электрического поля.

Затем физики провели эксперимент с каплями амида муравьиной кислоты, молекулы которого полярны (дипольный момент почти в два раза больше, чем у воды). Выяснилось, что при напряжённости электрического поля меньше 0,5 В/нм капли вытянулись в направлении линий поля лишь слегка. По мере приближения к критическому значению 0,5 В/нм капли приобрели форму игл (длинная ось стала примерно в 12 раз больше короткой). Дальнейшее повышение привёло к небольшому вытягиванию игл.

Когда же учёные повысили напряжённость до 1,5 В/нм, иглы стали твёрдыми – сначала прекратилось диффузионное движение, а затем сформировались отдельные кристаллы формамида. (Подробности в статье, вышедшей в Journal of Physical Chemistry C.)

Американцы изучили полученные структуры и пришли к выводу, что полярные молекулы выстраиваются в решётке таким образом, чтобы минимизировать свободную энергию кристаллической иглы. Поле и переориентация молекул фактически делает формамид сегнетоэлектриком.

Когда учёные снизили напряжённость поля, иглы «расплавились», а затем приняли сферическую форму. При этом наблюдался гистерезис.

Здесь показано изменение формы и предсказанная электрокристаллизация 10-нанометровых капель формамида. По вертикальной оси – отношение между длинной и короткой осями капли (иллюстрация Georgia Tech).

«Это исследование открывает нам свойства большой группы материалов, на которые можно повлиять приложением полей, — говорит один из исследователей Узи Лэндмен (Uzi Landman). – В этом случае изменение формы и кристаллизация происходят из-за того, что формамид, как и вода, имеет достаточно большой электрический дипольный момент».

Хотя нынешнее открытие представляет в большей степени фундаментальный интерес, учёные уверены, что оно может привести к новым разработкам в области направленной доставки лекарств, наноинкапсуляции, а также пригодится в печати наноструктур.

Мембрана