Группа профессора Иоганнеса Блайбеля (Johannes Bleibel) из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка (Штутгарт, Германия) обнаружила, что микрочастицы, заключённые в жидкости, демонстрируют коллективную динамику, которая подчиняется, казалось бы, совершенно не связанным между собой законам. Эти законы демонстрируют плавность перехода от дальнодействующих сил гравитационного притяжения, заставляющих вспомнить о космологической картине устройства Вселенной, к близкодействующим силам притяжения и отталкивания.

Авторы обратились к использованию коллоидных частиц, которые крупнее обычных молекул, но при этом достаточно малы, чтобы бы их можно было увидеть невооруженным глазом. Частицы, собранные на границе раздела фаз между двумя несмешивающимися жидкостями, стремились образовать монослой. Таким образом получалась двумерная модель, в которой частицы размером более одного микрона деформировали фазовый раздел под действием своего веса и генерировали дальнодействующие силы притяжения, очень похожие на гравитацию в двумерном пространстве. Так частицы собирались в кластеры.

Для симуляции дальнодействующих сил, существующих между частицами, учёные обратились к методу численного моделирования, используя в качестве основы представление о случайном тепловом движении частиц, известном как броуновское. Пригодилась и формальная аналогия между силами так называемого капиллярного притяжения (дальнодействующее взаимодействие, осуществляемое через деформацию фазового раздела) и гравитационным притяжением. Был использован также популярный метод «частица-сетка», получивший в англоязычной литературе название PM, или Particle-Mesh (обычно он применяется для моделирования самогравитирующих жидкостей, что соответствует коллапсирующей системе, сжимающейся под действием её собственной гравитации).

Авторы установили, что на коротких расстояниях, длина которых определяется как размером частиц, так и природой фазового раздела, силы дальнего взаимодействия более себя не проявляют, а поведением системы управляют силы ближнего действия.

Это означает, что для систем с линейными размерами, превосходящими расстояния, где работают только силы ближнего действия, характерна тенденция к самопроизвольному сбору в кластеры, которые, в конце концов, самопроизвольно же соберутся в один большой кластер.

Считается, что результаты работы могут быть применены к изучению поведения и устойчивости наноразмерных систем.

Результаты исследований опубликованы в статье:

J. Bleibel, A. Domínguez, M. Oettel and S. Dietrich Collective dynamics of colloids at fluid interfaces.  – The European Physical Journal E: Soft Matter and Biological Physics Volume 34, Number 11, 125, DOI: 10.1140/epje/i2011–11125–5.