熱力学の法則の例外にみえる現象を発見：形状回復液体とは？ (3/3)

本当に熱力学を破ったのか？ カギは“磁力”にあった

今回の現象は、一見すると「粒子が油と水の境界に吸着すると界面張力が下がるはずだ」という従来の熱力学的常識を、正面からくつがえしているように見えます。

通常、教科書で学ぶシナリオでは、粒子が界面に入り込むことで油と水の“直接の接触面”が減り、結果として自由エネルギーが下がる＝界面張力が下がる、となります。

しかしこの研究では、磁性粒子を使うと界面張力がむしろ高まり、「壊してもすぐに元の形に戻る」という不思議な振る舞いまで見られました。

これだけを見ると「熱力学の法則を無視しているのでは？」と思えてしまいますが、実はそこには“磁性粒子ならではの追加の相互作用”というカギがあります。

たとえるなら、ふだんの粒子は「油と水のあいだに入って、両者の不仲を緩和してくれる仲裁役」のようなものです。

ところが今回の磁性粒子は、ただの仲裁役にとどまらず「互いに強く手を取り合う巨大なグループ」を作っているイメージです。

手を取り合いながらも、それぞれにこだわりが強くて配置には神経質。

結果として、油と水の接触面だけを見るなら「表面を縮めるはず」ですが、磁性粒子どうしがぴたりとくっつくことで、まるで“もう一枚上から膜を敷いた”ような状況になり、その膜が界面張力を高いレベルで安定化させてしまうのです。

つまり、油と水の境界面が大きくなればなるほど、本来はエネルギー面で不利になりそうなのに、粒子どうしの強い結合による別のエネルギー（いわば“磁気的なアドバンテージ”）が、最終的に自由エネルギーを下げる方向に働いています。

そのため、表面的には“粒子が界面を覆うと張力が上がる”という現象を引き起こしながら、系全体としてはちゃんと熱力学的に見合った帳尻が合っているのです。 

もう少し具体的に言えば、境界面に粒子が増えるほど、普通は「それだけ油と水の接触が減る」ので、界面張力は下がっていくはずです。

ところが磁性粒子には、互いに引き合う強力な“磁石の力”があり、その力で粒子どうしがモザイク状に絡み合いながらネットワークを組み上げる際のエネルギーが、ただ接触面を減らすだけでは説明できない新たな安定化要因になっています。

言い換えると、粒子の数が増えるほど“磁性粒子間の安定化”がより強固になり、油と水が直接触れ合う面は減っているのに、境界としてはむしろ高い張力を保っているという、いわば“ねじれたバランス”に落ち着いているのです。

だからこそ、勢いよく壊してやっても、磁性粒子どうしが再び理想的な並びを形成し直し、元どおりの状態に戻ってしまうというわけです。

ここにこそ、熱力学の法則を破っているように見えて、実は「強磁性相互作用」という余分なエネルギー項を含めた総合的な自由エネルギーがきちんと下がっているので矛盾がない、という真相があります。

さらに今回の磁性粒子の場合は、粒子同士がわずかな隙間を保ちながら強く絡み合う“柔軟で頑丈なネットワーク”を作り、そのおかげで液体同士の境界も自発的に復元するような高い再生能力を示しました。

これこそが「壊れても何度でも形状を取り戻す液体」の正体といえます。

つまり、「界面張力が高いのに、壊れても復元される」というのが、まるで“熱力学からはみ出した”かのように見えながら、実は“磁力”を含めたエネルギーバランスが完璧に保たれているのです。

したがって、今回の研究は、熱力学を完全に無視しているわけではなく、「油と水の境界面＋磁性粒子の強い結合」という組み合わせによって、教科書的な常識を超えた状態がいくらでも作り出せる可能性を示しています。 

いわば「既存の熱力学モデル」に“強い磁気相互作用”という新しい変数を加えたら、まったく予想外の安定な構造を生み出せることがわかったのです。

これほど強力な磁気相互作用をうまく取り入れた例はほとんどなく、まさに「熱力学の教科書の外側にある世界」をひとつ切り開いたとも言えるのではないでしょうか。