طالب جامعي يكسر قوانين الديناميكا الحرارية عن طريق الخطأ!

ذات مرة قال هومر سيمبسون عبارته الشهيرة: «في هذا البيت نطيع قوانين الديناميكا الحرارية»، إلا أن اكتشافًا جديدًا وغير متوقع تمامًا لطالب في جامعة ماساتشوستس أمهرست يتعارض مع قاعدة هومر.

إذ تصف قوانين الديناميكا الحرارية العلاقة بين درجة الحرارة والطاقة والإنتروبيا في نظام ما، كذلك تصف كيفية تفاعل مكونات هذا النظام فيما بينها.

إليك مثلًا عملية الاستحلاب: تصف هذه العملية كيف يمكن لمادتين لا تختلطان عادةً أو غير قابلتين للامتزاج أن تتحدا لتشكلا مزيجًا متجانسًا، فمثلًا الزيت في الزبدة ينفصل طبيعيًا ليكون طبقةً علويةً تحتاج إلى إعادة خلط. مع أن الشركات تضيف مواد تُعرف باسم «المستحلبات» لمنع حدوث هذا الانفصال، يمكن وصف تفاعل المكونات داخل نظام ما بالكامل بواسطة قوانين الديناميكا الحرارية.

يوضح توماس راسل من جامعة ماساتشوستس أمهرست، المؤلف الرئيس للدراسة الجديدة: «تخيل مذاقك المفضل للسلطة الإيطالية، فهي مكونة من الزيت والماء والتوابل، وقبل أن تسكبها على سلطتك ترجها حتى تمتزج جميع المكونات معًا»، هنا يحدث الاستحلاب.

أصبحت هذه العملية غريبةً عندما خلط أنتوني رايكه -طالب الدراسات العليا في مختبر أمهيرست- مجموعة من السوائل غير القابلة للامتزاج مع جسيمات من النيكل الممغنط. فبدلًا من أن تختلط معًا كما كان متوقعًا، تكون المزيج في شكل يشبه «الإناء الإغريقي» حسب وصف المؤلفين.

لجأ رايكه إلى أساتذته بحثًا عن إجابات، وتعاون مع علماء من جامعة سيراكيوز وجامعة تافتس. اكتشف بفضل المحاكاة التفصيلية أنه عندما يكون تأثير المغناطيسية على السائلين قويًا، يمكنه أن يُقوس الحد الفاصل بينهما ويُعطل عملية الاستحلاب كما تصفها قوانين الديناميكا الحرارية، ومهما اشتد رج الخليط الممغنط كانت السوائل تعود في النهاية لتتخذ الشكل نفسه.

يوضح هوغلاند: «عندما تنظر من قرب إلى الجسيمات النانوية الفردية من النيكل الممغنط التي تشكل الحد الفاصل بين الماء والزيت، يمكنك أن تحصل على معلومات شديدة التفصيل عن كيفية تجمع الأشكال المختلفة. وفي هذه الحالة تكون الجسيمات ممغنطةً بقوة كافية تجعل تجمعها يتداخل مع عملية الاستحلاب التي تصفها قوانين الديناميكا الحرارية».

يعترف رايكه بأن هذا الاكتشاف لا يملك تطبيقات عمليةً مباشرةً في الوقت الحالي، لكنه يمثل حالة لم تسبق مشاهدتها من قبل، وقد توسع مجال علم فيزياء المادة اللينة.