När två ämnen sammanförs, de kommer så småningom att bosätta sig i ett stabilt tillstånd som kallas termodynamisk jämvikt; exempel inkluderar olja som flyter ovanpå vatten och mjölk blandas jämnt i kaffe. Forskare vid Aalto -universitetet i Finland ville störa denna typ av stat för att se vad som händer - och om de kan kontrollera resultatet.

"Saker i jämvikt tenderar att vara ganska tråkiga, "säger professor Jaakko Timonen, vars forskargrupp utfört nytt arbete publicerat i Vetenskapliga framsteg den 15 september. "Det är fascinerande att driva system ur jämvikt och se om icke-jämviktsstrukturerna kan kontrolleras eller vara användbara. Det biologiska livet i sig är ett bra exempel på verkligt komplext beteende i ett gäng molekyler som är ur termodynamisk jämvikt."

I deras arbete, laget använde kombinationer av oljor med olika dielektriska konstanter och konduktiviteter. De utsatte sedan vätskorna för ett elektriskt fält.

"När vi slår på ett elektriskt fält över blandningen, elektrisk laddning ackumuleras vid gränssnittet mellan oljorna. Denna laddningstäthet skär gränssnittet ur termodynamisk jämvikt och till intressanta formationer, "förklarar doktor Nikos Kyriakopoulos, en av författarna till tidningen. Förutom att det störs av det elektriska fältet, vätskorna begränsades till en tunn, nästan tvådimensionellt ark. Denna kombination ledde till att oljorna omformades till olika helt oväntade droppar och mönster.

Dropparna i experimentet kan göras till rutor och sexkantar med raka sidor, vilket är nästan omöjligt i naturen, där små bubblor och droppar tenderar att bilda sfärer. De två vätskorna kan också tillverkas till sammanlänkade gitter:rutmönster som förekommer regelbundet i fasta material men som inte hörs i flytande blandningar. Vätskorna kan till och med lockas till att bilda en torus, en munkform, som var stabil och höll sin form medan fältet applicerades - till skillnad från naturen, eftersom vätskor har en stark tendens att kollapsa in och fylla hålet i mitten. Vätskorna kan också bilda trådar som rullar och roterar runt en axel.

"Alla dessa konstiga former orsakas och upprätthålls av det faktum att de hindras från att kollapsa tillbaka till jämvikt genom rörelsen av de elektriska laddningarna som byggs upp vid gränssnittet, "säger Geet Raju, tidningens första författare.

Ett av de spännande resultaten av detta arbete är möjligheten att skapa tillfälliga strukturer med en kontrollerad och väldefinierad storlek som kan slås på och av med spänning, ett område som forskarna är intresserade av att utforska ytterligare för att skapa spänningsstyrda optiska enheter. Ett annat potentiellt resultat är förmågan att skapa interagerande populationer av rullande mikrofilament och mikrodroppar som, på någon elementär nivå, härma dynamiken och det kollektiva beteendet hos mikroorganismer som bakterier och mikroalger som driver sig med helt andra mekanismer.

Forskningen utfördes vid Institutionen för tillämpad fysik i forskargruppen Active Matter, ledd av professor Timonen. Tidningen "Mångfald av icke-jämviktsmönster och uppkomst av aktivitet i begränsade elektrohydrodynamiskt drivna vätskor" publiceras med öppen åtkomst i Vetenskapliga framsteg .