Мягкая конденсированная материя cond-mat.soft

Капля воды падает на лист лотоса — и отскакивает, не оставив следа. Это чудо самоочистки природа отточила за миллионы лет, и инженеры давно пытаются его воспроизвести. Но стоит капле ударить слишком быстро, как она разлетается брызгами, теряя массу и оставляя на поверхности мокрые следы.

Насыпьте горсть сухого песка — он растечётся ровным конусом. А теперь возьмите пачку макарон-звёздочек: куча будет стоять почти вертикально. Почему? Всё дело в форме частиц. Физики построили цилиндрические кучи из частиц разной геометрии — от гладких шариков до «полиподов» с несколькими отростками, как у морской звезды.

На столе лежит тонкая резиновая плёнка. Кто-то берёт её за середину и медленно тянет вверх. Плёнка не хочет просто подняться: она выгибается куполом, потом по краю купола бегут морщины, как складки на юбке. Поднимают выше — морщины собираются в крупные складки, которые пересекают всю плёнку. А если начать опускать, складки не исчезают, а складываются в новые формы.

Капля воды, зажатая между двумя близкими поверхностями, превращается в крошечный мостик. Такие мостики встречаются повсюду: они удерживают песчинки во влажном песке, заставляют волосы слипаться после душа и даже помогают насекомым ходить по стенам. Ученые взяли три вида поверхностей: обычное стекло, стекло с водоотталкивающим покрытием и стекло, пропитанное силиконовым маслом.

Бактерия в капле воды не просто плавает — она ощупывает пространство вокруг себя, решает, куда свернуть, и находит выход из запутанного лабиринта. Искусственные микроскопические пловцы до сих пор так не умели: их приходилось вести за руку, подавая сигналы извне. Теперь группа исследователей показала, что крошечные капли-агенты могут обходиться без поводыря.

Обычный способ заморозить живую клетку похож на попытку надеть на неё скафандр: сначала нужно ввести внутрь защитное вещество, но пока оно проникает через оболочку, клетка может лопнуть от перепада солей или отравиться химией.

Тонкая нить в потоке воды — как волос в струе душа. Если воду дёргать туда-сюда, волос то вытягивается по течению, то сминается. Учёные взяли настоящие белковые нити (актин, из которого состоят мышцы) и поместили их в микроскопический канал, где жидкость колебалась с разной частотой. При быстрых колебаниях нить послушно возвращалась в исходное положение после каждого цикла — как маятник.

Горсть магнитных шариков, если их встряхнуть, слипается в комки. Но добавьте к магнитам пружинки, которые расталкивают шарики на расстоянии, — и комки распадутся на ровные островки. Примерно так ведут себя частицы, о которых идёт речь в новой работе: они притягиваются вблизи, но отталкиваются издалека. Авторы просчитали на компьютере миллионы вариантов такого «клея с пружинами».

Кухонная губка, сжатая в кулаке, пружинит обратно. А если сжимать её медленно, давая высохнуть, она так и останется сплющенной. Примерно так поступили учёные с крошечными шариками из геля: дали им высохнуть, попутно сжимая, и следили, что происходит внутри. Гель состоит из мельчайших частиц, которые слипаются в ажурную сетку, как хлопья в тарелке с молоком. Когда шарик сохнет, вода уходит, и сетка стягивается.

Капля крови падает на повязку из тончайших полимерных волокон. Обычно она лежит на поверхности, как росинка на вощёной бумаге. Материал отталкивает воду, и кровь не впитывается — а значит, повязка не прилегает к ране. Учёные изменили поверхность волокон. Они добавили в полимер крошечные частицы кремния — в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Внутри оплодотворённого яйца лягушки идут волны — как круги по воде, только из белков, которые командуют делением клеток. Эти волны пробегают миллиметры, хотя само яйцо меньше миллиметра. Раньше не понимали, почему они не сбиваются. Оказалось, волны сами себе расчищают дорогу. Белки в яйце собраны в капли, которые растут и лопаются по очереди.

Хлопните по днищу консервной банки — оно вогнётся внутрь и останется таким. Нажмите снова — выгнется наружу. Это бистабильность: у системы два устойчивых состояния, как у выключателя света. Упругая арка — простейший пример такой системы. Она может быть выгнута вверх или вниз, и чтобы переключить её, нужно приложить усилие.

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.

Микроскопический шарик из геля или крошечная капля масла протискивается через узкий канал, стенки которого ритмично сжимаются и разжимаются. Частица то сплющивается, то восстанавливает форму — и по тому, как быстро она это делает, можно узнать её внутреннюю упругость и вязкость.

Элементарные частицы живут двойной жизнью, подобно вращающейся монете, которая одновременно и орёл, и решка. Контакт с внешним миром вынуждает их выбрать одно определённое состояние — этот процесс называется декогеренцией. Представьте её как эхо в комнате. Старое правило предполагало, что комната пуста, поэтому эхо затихает мгновенно.

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.

Графеновый транзистор работает как микроскопический выключатель: молекула садится на его поверхность — и ток меняется. Но голая поверхность графена никого не ловит. Нужна «приманка» — антитела, которые узнают только белки вируса.

Внутри живой клетки есть крошечные жидкие капли, где белки собираются вместе, как ингредиенты в капле винегрета. Одни белки образуют каркас капли, другие — клиенты — сами каплю не создают, но охотно в неё запрыгивают и меняют её состав. Учёные взяли три белка, которые обычно работают в местах прикрепления клетки к поверхности: два каркасных (FAK и Cas) и одного клиента (паксиллин).

Горсть нанокристаллов сульфида свинца, покрытых заряженными молекулами, сама выстраивается в идеальную кристаллическую решётку. Каждый нанокристалл — как кирпичик размером в несколько нанометров, а заряженные молекулы на его поверхности работают связующим раствором.

Ветер дует ровно, но вдруг налетает порыв, и листья взметаются вихрем. Внутри такого порыва скорость воздуха меняется не плавно, а скачками — то резко вперёд, то вбок. Эти редкие и сильные рывки называют перемежаемостью, и они главная загадка турбулентности.

Капля густой смеси кукурузного крахмала с водой падает на стол. Обычно такая смесь при резком ударе мгновенно твердеет — по ней можно даже бегать, если наполнить ею бассейн. Но в этом опыте всё пошло иначе. Высокоскоростная камера зафиксировала: в первый миг после касания капля расплывается, как обычная жидкость.

Встряхните банку с песком и шариками — и увидите, как крупные предметы всплывают или тонут в зависимости от размера. Но если встряхивать умно, можно заставить шарики собираться в пары и цепочки, словно они приклеены друг к другу. Именно такой «невидимый клей» впервые поймали и измерили физики из Индии и Германии.

В стакане с газировкой пузырьки весело поднимаются вверх. Но если воду заморозить, часть пузырьков окажется в плену у льда. Как они туда попадают? Ведь лёд растёт, оттесняя газ, — но не всегда успевает. Учёные взяли газированную воду (воду с растворённым углекислым газом) и замораживали её с разной скоростью: от 1 до 20 микрометров в секунду.

Оболочка живой клетки — не жёсткий панцирь, а податливая плёнка, в которую встроены тысячи белков, как изюм в тесто. Когда белок меняет форму или клетка движется, плёнка прогибается: иногда едва заметно, как поверхность воды от упавшей пылинки, а иногда сильно — как простыня, если под ней вытянуть ноги.

Бактерия плывёт, как крошечный катер с гребным винтом. Только винт у неё — длинный жгутик, который вращается и толкает тело вперёд. Но тело не идёт ровно: оно покачивается, как поплавок на волне. Это покачивание — не случайность, а часть механики движения. До сих пор такие покачивания изучали в спокойной воде.

Соль в стакане воды — это толпа заряженных частиц. Пока воды много, каждая частица плавает сама по себе, окружённая плотной шубой из молекул воды. Но если сыпать соль дальше, воды на всех перестаёт хватать, и частицы начинают искать друг друга. Сначала они сцепляются в пары, потом в клубки побольше.

Если насыпать на стол горсть монет, поверхность станет бугристой. Но стоит добавить ещё монет, и они сами растекаются в ровный слой. Нечто похожее происходит, когда на подложку напыляют тончайшие плёнки из отдельных молекул. Сначала на поверхности появляются островки — молекулы собираются в кучки, как люди в очереди. Плёнка становится всё более неровной.

Капля кофе на столе высыхает и оставляет кольцо — кофейные частицы собираются по краю. Если же в капле плавают заряженные наночастицы, картина становится богаче: осадок трескается, как грязь в пересохшей луже. Физики изучили, как заряд частиц и поверхность, на которой сохнет капля, меняют эти трещины.

Бактерии в капле воды толкаются и плывут — каждая сама по себе, но вместе они создают узоры. При слабом движении жидкость бурлит, как суп на сильном огне: вихри сталкиваются, направление течения меняется каждую секунду. Это называют бактериальной турбулентностью.

В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.

Обычная резиновая прокладка глушит вибрацию, как толстое одеяло приглушает звук: чем толще и тяжелее, тем лучше. Инженеры давно мечтают о материале, который был бы лёгким, но при этом «съедал» колебания не хуже массивного демпфера. В новой работе такой материал удалось собрать из двух непохожих частей: мягкой эластичной решётки, напечатанной на 3D-принтере, и крошечных капель жидкого металла, спрятанных внутри неё.

Бактерии не просто ползают по поверхности — они всей толпой решают, какой формы станет их колония. Толпа людей движется по площади: каждый шагает сам, но вместе они образуют поток. Так и бактерии: каждая движется по-своему, но вместе они создают узор из ветвящихся дорожек. Учёные взяли бактерий Enterobacter sp. SM3, которые живут в кишечнике и помогают заживлять его стенки.

Внутри каждой мышцы работает молекулярная команда гребцов — это белки миозина, которые циклически захватывают нити актина, совершают силовой гребок и отпускают их. Топливом для каждого гребка служит молекула АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальный источник энергии в клетке. Когда множество таких гребцов действуют слаженно, мышца сокращается, и тело приходит в движение.

В банке с маслянистой жидкостью плавают миллионы крошечных магнитных крупинок — каждая размером с бактерию. Включили магнит — и крупинки, как послушные солдатики, выстраиваются в длинные нити. Но почему они образуют именно нити, а не комки? Оказывается, дело не только в магнетизме. Каждая частица, двигаясь в жидкости, тянет за собой поток — как весло в воде оставляет за собой завихрения.

Когда зародыш растёт, его клетки не просто делятся — они постоянно касаются соседей, как люди в переполненном автобусе. От силы этих касаний зависит, куда клетка подвинется и какую форму примет ткань. Учёные изучили, как меняется «липкость» клеток на самых ранних этапах развития.

Вода в реке течёт ровно, пока не встречает сужение. Там поток ускоряется, а за поворотом может закрутиться в воронку. Похожие воронки, только размером с молекулу, способны сами собирать частицы в одном месте — без насоса и моторчика. В новом моделировании каскад из десяти нанокамер показал удивительное: узкая сторона накопила в пять раз больше частиц, чем широкая.

Капля чернил в стакане воды расползается сама собой. Но если бы чернила состояли из крошечных моторчиков, они бы не просто расплывались — они бы ползли, толкались и собирались в стайки. Такие частицы, которые двигаются сами, называют активными. Из них можно собирать молекулы, как из бусин — браслет. И вот что удивительно: порядок бусин в браслете меняет всё поведение.

Внутри каждой клетки есть каркас из нитей — как строительные леса, которые придают ей форму и позволяют двигаться. Эти нити соединяют белки-сцепки: одни просто держат их вместе, как верёвки, а другие работают как крошечные моторы, ползущие по нитям и тянущие их друг к другу. От того, как слаженно работает эта команда, зависит, сможет ли клетка делиться, ползти или менять форму.

Густой мёд медленно растекается по тарелке. В таком мире, где трение подавляет инерцию, движение управляется не силой, а вязкостью. Именно так ведут себя многие мягкие материалы: полимерные гели, коллоидные суспензии, содержимое живых клеток.

Когда вы надавливаете пальцем на кусок мягкого пластилина, он послушно проминается, а потом медленно возвращается к прежней форме. Но если надавить на оконное стекло, оно либо выдержит, либо треснет — никакой плавной деформации. Оба материала — аморфные: их атомы не выстроены в строгую кристаллическую решётку, как в металле. Однако ведут себя они совершенно по-разному.