Des ingénieurs montrent que des particules magnétiques en rotation suivent étonnamment les lois thermodynamiques

De petites sphères en suspension dans un liquide bougent suffisamment comme des molécules pour que la physique de l’une puisse être utilisée pour imiter la physique de l’autre.

C’est pourquoi la découverte d’une physique inhabituelle dans les colloïdes – des particules dispersées dans une solution comme le lait, par exemple – pourrait intéresser les chercheurs qui étudient les interactions biologiques.

L’ingénieur chimiste et biomoléculaire Sibani Lisa Biswal et le boursier postdoctoral Kedar Joshi de la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice ont découvert que lorsqu’un colloïde – dans ce cas, une suspension de particules paramagnétiques de la taille d’un micron – est bousculé par un champ magnétique, il reste a tendance à rechercher son état d’énergie le plus bas de la même manière que le font les systèmes de gaz et de liquide.

“C’est comme essayer de faire exploser une bulle dans une forme étrange”, a déclaré Biswal. “Ça revient toujours à une sphère.”

Leur découverte, détaillée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, ne conteste pas exactement l’équation de Kelvin, qui décrit les interactions thermodynamiques entre les liquides et les gaz. Mais cela étire un peu l’équation.

“L’équation de Kelvin provient de la thermodynamique classique et nous indique comment les phases liquide et gazeuse sont en équilibre les unes avec les autres”, a déclaré Biswal. “Kedar aime donner l’exemple des gouttelettes d’eau : comment elles conservent une certaine taille, même avec des phases d’eau et de vapeur autour d’elles.”

“Ces groupes colloïdaux sont comme les gouttelettes”, a déclaré Joshi. “Ils essaient de rester circulaires, plutôt que de prendre une forme arbitraire. Notre pensée était que ces équations devraient expliquer non seulement une ou deux, mais également toutes les propriétés de nos colloïdes.”

L’étude prolonge les travaux antérieurs du laboratoire pour caractériser la façon dont les particules interagissent dans les solutions, la plus récente démontrant comment les colloïdes superparamagnétiques interagissent les uns avec les autres dans un champ magnétique à rotation rapide.

“Celui-ci relève de notre compétence sur la façon dont nous pensons aux gaz et aux liquides, mais d’une manière différente”, a déclaré Biswal. “Kedar a décidé d’appliquer la formule à notre système, dans lequel nous pouvons voir les particules, nous pouvons les compter et les suivre à travers leurs phases” gazeuses “et condensées.”

Les résultats étaient surprenants, écrivent-ils, car l’équation de Kelvin n’est pas destinée à s’appliquer aux systèmes déséquilibrés. Dans les expériences de Rice, les particules représentaient des molécules liquides lorsqu’elles étaient agglomérées et des molécules de gaz lorsqu’elles étaient dispersées, deux qualités contrôlées par le champ magnétique tournant, un substitut de la variable de température de l’équation.

Les chercheurs ont déséquilibré leur colloïde en le faisant tourner avec le champ. Malgré cela, ils ont trouvé que l’équation était toujours vraie pour les interactions qu’ils ont observées lorsque les particules se sont rapprochées ou se sont séparées en fonction de la force du champ.

“Les particules ont suivi le champ tournant; elles ressemblent à de petits barreaux d’agitation miniaturisés”, a déclaré Biswal. “Mais si nous augmentions la fréquence, nous avons constaté qu’elle générait une interaction attractive isotrope entre les particules.”

La force de ce champ magnétique à rotation rapide est devenue un bouton qui augmentait et abaissait la “température” et contrôlait si les particules se condensaient en un liquide ou se dispersaient comme un gaz. “Le système se comporte comme s’il était affecté par la température”, a déclaré Joshi, qui a récemment quitté Rice pour rejoindre la faculté de l’Institut indien de technologie de Goa. “Nous voulions montrer qu’il reproduirait ce que les phases classiques font également en termes de pression de vapeur, de viscosité et de tension superficielle.”

Biswal a déclaré que l’étude a également des implications pour les appareils tels que les écrans de contrôle qui utilisent des cristaux liquides. “Le nouveau document porte sur l’idée que vous pouvez avoir une coexistence (entre les phases liquide et gazeuse)”, a-t-elle déclaré. “Pouvoir voir comment les champs magnétiques peuvent être utilisés pour contrôler la façon dont ces systèmes sont capables d’atteindre des phases coexistantes est important pour concevoir des matériaux qui sont reconfigurables ou qui ont une propriété souhaitée.”