фазовое разделение

Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется.

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

Лист бумаги рвётся там, где натяжение превышает прочность. Эпителий — клеточный пласт, выстилающий наши органы, — ведёт себя похоже, но до недавнего времени модели не умели показывать, как в нём появляются разрывы. Классическая вершинная модель описывает ткань как сеть многоугольников, плотно пригнанных друг к другу, и запрещает клеткам отрываться.

Плазма — это ионизированный газ, в котором электроны оторваны от атомов и свободно движутся. Иногда в такой среде самопроизвольно возникают области, где электронов почти нет; их называют дырами. Словно в потоке воды появляется воронка, затягивающая всё вокруг. Но как именно рождается эта воронка — долго оставалось загадкой.

В стакане с водой масло собирается в капли — это равновесное разделение, продиктованное химией. Но есть системы, где порядок рождается не из покоя, а из постоянного потока энергии.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

Если сжать воду между двумя стёклами так, чтобы поместилось всего два слоя молекул, она превращается в нечто среднее между жидкостью и льдом. При комнатной температуре молекулы в такой ловушке ещё двигаются, но уже выстраиваются в подобие кристаллической решётки.

Кусок пластилина, если его мять, ведёт себя как аморфное твёрдое тело — не кристалл, но и не жидкость. Внутри такого материала могут возникать лавины: одна крошечная перестройка тянет за собой соседние, и волна проходит через весь образец.

Повар выливает горячий сахарный сироп на холодный стол, и тот застывает кристаллами. Примерно так инженеры представляли затвердевание металла: жидкость сразу становится россыпью кристаллических зёрен. Но съёмка крупным планом показала, что между жидким и твёрдым вклинивается ещё один этап.

Клеточная мембрана похожа на частокол из плотно прижатых друг к другу молекул — длинных, как спички, с водолюбивой головкой и водоотталкивающим хвостом. Это не просто оболочка, а живой барьер: пропускает нужное, не пускает чужое и держит форму. Но стоит добавить в воду немного хлороформа или спирта — и этот забор начинает шататься.

Вода бурлит за камнем в реке, воздух завихряется за крылом самолёта — кажется, что движение совершенно беспорядочное. Но авторы работы нашли в этом хаосе жёсткий кухонный рецепт. Они разложили вращение жидкости (момент импульса) на две независимые части.

Длинные белковые нити, их запутанные сцепки и случайные контакты — так обычно объясняли рождение клеточных капель. Эти безмембранные органеллы, где идут важные реакции, напоминают масляные капли в воде: они возникают сами, когда молекулы разделяются на фазы. Но новая работа заглянула на ступеньку ниже — туда, где правит не длина, а химический почерк.

В пористых материалах — почве, горных породах, фильтрах — жидкости движутся через крошечные извилистые каналы. Когда в такой среде одновременно присутствуют две несмешивающиеся жидкости, например вода и воздух, граница между ними постоянно меняется: пузырьки воздуха вытесняют воду из одних пор и открывают путь другим.

В узкой щели между двумя пластинками вода из влажного воздуха собирается сама собой — это капиллярная конденсация. Если щель шириной всего несколько нанометров, вода уже не ведёт себя как сплошная жидкость: каждая молекула на счету. Но как именно заполняется такая щель — слоями или сразу целиком — до сих пор было неясно.

Молекулы в растворе ведут себя как толпа на площади: могут беспорядочно толкаться, а могут выстроиться в ровные ряды. Водный раствор дисодиум кромогликата — известная модель хромонических жидких кристаллов, где такие «ряды» возникают сами собой. Но если посветить на раствор ультрафиолетом, порядок рушится: молекулы начинают распадаться на части.

Внутри каждой микроскопической частицы, образующей катод натрий-ионного аккумулятора, натрий распределён неравномерно: словно сахар в чае, сбившийся в комки, его концентрация варьируется от участка к участку. Эта неоднородность — мера беспорядка в распределении ионов — напрямую снижает ёмкость и срок службы батареи.

Слой клеток, выстилающий внутренние органы, похож на очередь в переполненном метро: все стоят вплотную, но иногда толпа начинает течь, и люди проскальзывают мимо друг друга. Биологи называют такое поведение переходом от застрявшего, твёрдого состояния к текучему. До сих пор считалось, что ключ к этому — форма клеток: если клетки становятся более вытянутыми, ткань разжижается.

Глубоко под нашими ногами, в самом центре Земли, находится твёрдое железное ядро. Но оно не из чистого железа — там есть и более лёгкие элементы, например, водород. Как именно водород распределён внутри ядра, долго оставалось загадкой.

В воздухе, которым мы дышим, постоянно происходят невидимые глазу химические события. Одно из них — рождение и мгновенная гибель частицы с формулой H₂COO. Её называют «промежуточным соединением»: она появляется на долю секунды, когда молекулы озона сталкиваются с органическими веществами, и тут же разваливается на более простые осколки.

В стакане воды растворяют несколько солей и формальдегид. Через некоторое время жидкость сама расслаивается: в ней появляются капли с оболочкой, похожие на крошечные пузырьки. Внутри каждой капли идут химические превращения, а сама капля растёт, вбирая вещество из окружающего раствора. Эти капли — не просто пузырьки. Внутри них образуются новые, меньшие капли, которые тоже способны расти.

Временные кристаллы — экзотическая фаза материи, которая демонстрирует периодическое движение не в пространстве, а во времени, даже находясь в основном, невозбуждённом состоянии. Эту идею, напоминающую вечные часы, не требующие завода, впервые предложил Фрэнк Вильчек.

Капля масла в воде ведёт себя как маленький шарик: она стремится занять место с наименьшей энергией. Если рядом есть стенка, капля часто прилипает к ней — так же, как капля дождя растекается по стеклу. В смеси двух несмешивающихся жидкостей, например полиэтиленгликоля и декстрана, образуются мельчайшие капли одной жидкости внутри другой.

Вода в стакане успокаивается, если перестать её мешать. Масло в двигателе гасит вибрации. Кажется, вязкость — это всегда про затухание. Но в некоторых потоках всё наоборот: добавь трения — и волны начинают расти, как будто из ниоткуда. Физики нашли простое объяснение. У таких систем есть скрытый запас энергии, запертый особой симметрией — она называется PT-симметрией.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.