研究生意外配出自恢復液體，推動重新思考熱力學界限_風聞

一個研究生的日常操作，意外獲得了一種奇怪的“形狀可恢復液體”，這符合熱力學定律嗎？

撰文 | 小葉

科學突破有時誕生於實驗室內充滿奇思妙想的操作。美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校研究生Anthony Raykh給這句話增添了新的註腳。

他在鼓搗液體與磁性材料混合物的過程中，意外獲得了一種奇怪的“形狀可恢復液體”，還打破了對傳統熱力學定律的一貫認知。最近，《自然·物理》期刊上發表了這項研究。

“液體版”古希臘甕的誕生

Anthony Raykh主攻聚合物材料與工程學，和所有學化學的學生一樣，日常就喜歡在實驗室混合各種性質有意思的材料，看看有沒有什麼驚喜。

在這項研究中，他使用的材料只有水、硅油和鐵磁體鎳金屬納米顆粒，操作過程相當簡單：混合、搖晃、靜置、等待……

眾所周知，水油不互溶。但如果再添加上小顆粒物體（膠體、粉末或者聚合物）充當活性劑，那麼正常情況下，通過充分攪拌和混合，由於小顆粒的介入防止液滴聚集並形成熱力學穩定，最終會收穫均質的乳液狀混合物，這一過程稱作皮克林乳化[1]。通過該技術得到的水乳交融產物貫穿我們的衣食住行，從化妝品到美味的沙拉醬料都有其功勞。

然而，這次Raykh等來了前所未見的結果，試管內的混合物緩緩變成沙漏狀，類似於博物館收藏的精美古希臘甕的瓶身線條。隨後，他多次混合搖晃，但無論力度如何，無論重複多少次，待靜置之後，每次都會恢復成最初看到的甕瓶。

“我當時就想，這是什麼東西？怎麼從來沒見過！”Raykh一邊思考着[2]，一邊帶着自己的奇怪實驗結果，敲響了高分子科學與工程教授辦公室的大門，以求解惑。但老師們也嘖嘖稱奇，因為之前從沒有人做過像Raykh一樣的操作，也從沒出現這樣的結果。

這一奇形怪狀很快引起了材料與工程學教授Thomas Russell和David Hoagland（論文資深作者，也是軟材料專家）的注意，Hoagland説：“我們當時討論了很久，課本上的知識和理論假設無法説明Raykh的實驗結果。”一時之間，大家都很困惑。

“當你看到本不該出現的現象時，就很有必要調查一番。”Russell説道。於是，三人立刻組隊，另外還聯繫了塔夫茨大學和雪城大學的同行們一起來搭建模型，展開模擬。

最終，在團隊的共同努力之下揭秘了“液體版”古希臘甕的形成原理，而這一看似莫名其妙的現象對傳統熱力學定律的理解發起了挑戰。

成形背後看不見的“手”

水油界面處磁性納米顆粒排列情況的藝術設想圖丨來源：nature.com

經過多次實驗和模擬，團隊發現了反覆捏出古希臘甕型的那隻看不見的“手”：鐵磁鎳金屬顆粒之間的強相互作用[3]。

通常情況下，添加入水油混合物的非磁性顆粒會弱化水油界面處的張力，便於兩種液體混合起來。而“當我們仔細觀察Anthony混合物中構成水油界面的鐵磁體鎳納米顆粒時，發現這些顆粒通過磁矩自行組織起來，其磁化程度足以干擾熱力學定律所描述的乳化過程。” Hoagland 解釋説[4, 5]。

這便是Raykh混合液體的有趣之處[6]：一方面，界面處的活性納米顆粒由於面內磁性顆粒相互作用對界面施加了持久的異質性，從而徹底抑制了乳化。另一方面，磁相互作用產生了相當高的界面能、吸引力和方向性（取決於粒子間的取向），反而增強了界面張力，將水油界面彎曲成優美的弧形，同時還發揮了穩定作用。

另外，鐵磁性納米顆粒、硅油和水三者之間的相互作用創造了動態環境[7]：鐵磁性納米顆粒作為能響應磁場的介質，可以操控液體，納米顆粒以特定方式進行排列，並與硅油的粘度相結合，賦予液體形成複雜形狀的能力，如我們所見的古希臘甕形，並在攪拌之後能以卓越的可復現性恢復至原先的形狀，而水的存在則增強了混合物的流動性。這種可逆的形狀轉變，表明混合物具有明確的形狀記憶能力，在非磁性納米顆粒摻雜的普通流體中並不常見。

挑戰對傳統熱力學定律的理解

鑑於上述奇異行為，科學家們繼而追問一個更加本質的問題：為什麼這一切看上去會不符合教科書上熱力學定律的描述呢？

來源：pixabay

Russelle解釋説[8]，通常情況下，不相溶的液體混合物會在乳化之前回到平衡狀態，此時兩種液體之間的邊界面積往往趨向於最小化，由描述物理系統內温度、熱量、做功和能量之間相關性的熱力學定律所主導。因此，在典型的水油乳液狀混合物中，液體形成球狀液滴，因為此時邊界的表面積最小。但Raykh的古希臘甕狀混合物則擁有更大的表面積，乍一看，似乎與理論相悖。

經過一番研究，研究人員揭示了其中緣由：這次是金屬納米顆粒之間的磁相互作用在“界面處這一局部區域佔據主導地位”。納米顆粒產生磁偶極子，即磁極相互吸引，在液體表面形成“鏈”狀磁場。如同前文所述，一方面干擾乳化，另一方面產生的更高的界面能導致更大表面積形狀的出現。

所以Russelle澄清説，這隻能算是例外，整體而言，熱力學定律適用於解釋整個物理系統，而不是單個顆粒之間相互作用產生的局部現象。畢竟Raykh在混合物中添加了以前從沒人想到過的鎳金屬納米顆粒，所以之前也沒有人觀察到這一新奇現象。

儘管如此，這場有趣的實驗仍推動科學家重新思考熱力學的界限，加深對物理定律在極端或者不尋常行為中的理解。

另外還突顯了很重要的一點，物理定律是現實模型，但並非現實本身，它們適用於大多種情況，也會出現例外狀況。像Raykh團隊實驗的驚喜結果就表明，即使是經過充分經驗論證的理論，也能夠以全新的有用方式進一步拓展。[9]

儘管該突破性發現尚無具體轉化應用，但實驗為混合物液體的精細調控打開了全新思路，而Raykh本人也很開心見到這一前所未見的材料新狀態對軟物質物理學以及物理基礎理論的影響，他會沿着這條道路繼續探索下去。

參考資料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Pickering_emulsion

[2] https://www.umass.edu/news/article/umass-amherst-team-finds-exception-laws-thermodynamics

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-025-01109-9

[4] https://www.youtube.com/watch?v=qMj7YdCfYos&t=100s

[5] https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250404122615.htm

[6] https://www.nature.com/articles/s41567-025-02865-1

[7] https://blog.asquaresolution.com/2025/04/05/breaking-the-rules-the-discovery-of-a-shape-recovering-liquid-that-defies-thermodynamics/

[8] https://www.livescience.com/physics-mathematics/student-accidentally-creates-shape-recovering-liquid-thats-an-exception-to-the-laws-of-thermodynamics

[9] https://www.earth.com/news/shape-recovering-liquid-breaks-the-laws-of-thermodynamics/

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