Фізика м'якої матерії: від зубної пасти до 99-річного експерименту зі смолою

Щоденний ритуал видавлювання зубної пасти з тюбика є наочною демонстрацією складних фізичних принципів, що описують, як матеріали реагують на прикладені механічні навантаження. Зубна паста, яка тече під тиском, але зберігає форму у стані спокою, кидає виклик спрощеному шкільному поділу на тверді тіла та рідини. Ці матеріали, до яких також належать креми та гелі, класифікуються як м'яка матерія, оскільки вони демонструють подвійну поведінку, схожу як на тверді, так і на рідкі тіла.

Відмінність таких субстанцій криється у їхній внутрішній архітектурі, яка складається з більших структурних одиниць, таких як макромолекули або краплі, дисперговані у рідинному середовищі. Ці внутрішні структури утримуються разом завдяки слабким, легко руйнівним силам, що надає їм крихкості, але водночас високої адаптивності до зовнішнього напруження. Реакція матеріалу критично залежить як від інтенсивності прикладеної сили, так і від часового інтервалу, протягом якого ця сила діє. Різкий стиск змушує зубну пасту текти, оскільки внутрішня мережа структур швидко перебудовується і відновлюється. Подібним чином, струшування шампуню спричиняє вирівнювання його ниткоподібних молекул, що знижує опір і полегшує його виливання.

Фізики досліджують цю залежність від сили та часу у галузі, відомій як реологія, яка вивчає деформацію та плинність речовин під впливом напруги. Ця концепція перегукується з давньогрецьким афоризмом Геракліта «panta rhei», що означає «все тече». Дослідження у сфері реології та м'якої матерії залишаються активними, що було підкреслено на семінарі «Майбутнє реології» у січні 2026 року. Доктор Індреш Ядав, який спеціалізується на м'якій матерії, продовжує свою роботу як доцент в Індійському технологічному інституті (ІТІ) Бхубанешвар та як науковий співробітник у Массачусетському технологічному інституті (МТІ).

Найвизначнішим унаочненням цих принципів є Експеримент з краплею смоли (Pitch Drop Experiment), започаткований у 1927 році професором Томасом Парнеллом в Університеті Квінсленда. Цей довготривалий дослідницький проєкт має на меті продемонструвати, що смола, яка на вигляд є твердою, насправді є рідиною з надзвичайно високою в'язкістю, приблизно у 200 мільярдів разів більшою, ніж у води. Професор Парнелл, перший професор фізики Університету Квінсленда, нагрів зразок смоли та залив його у скляну лійку із запечатаною шийкою, давши матеріалу осісти протягом трьох років. У 1930 році, після зрізання пломби, смола почала повільно витікати.

Експеримент, занесений до Книги рекордів Гіннеса як найтриваліша лабораторна демонстрація у світі, наразі перебуває під опікою професора Ендрю Вайта, третього хранителя проєкту. З моменту початку витікання у 1930 році, лише дев'ять крапель впало, причому остання, дев'ята, торкнулася попередньої 24 квітня 2014 року. Попередній хранитель, професор Джон Мейнстоун, спільно з Парнеллом, отримав Шнобелівську премію з фізики у 2005 році за підтримку цього дослідження. Очікується, що десята крапля впаде у другій половині 2020-х років, хоча швидкість потоку може коливатися через сезонні зміни температури у виставковому кабінеті, де знаходиться апарат. Наприклад, у середині 1990-х років кондиціонування сусідніх аудиторій призвело до охолодження та уповільнення падіння восьмої краплі.

Вивчення повсякденних продуктів, таких як стоматологічні пасти, які можуть містити подрібнені порошкоподібні речовини, склеєні гліцерином або оліями, розкриває приховану главу сучасної фізики, зосереджену на балансі між структурною цілісністю та плинністю. Стоматологічні пасти виготовляються шляхом ретельного дозування рідин, оскільки навіть незначний надлишок може перетворити їх на занадто м'яку масу. Ця наука про деформацію та потік, реологія, допомагає зрозуміти, чому матеріали, які здаються твердими, як-от смола, насправді демонструють властивості надзвичайно повільних рідин, підтверджуючи, що фізичні закони керують як макроскопічними явищами, так і нашими щоденними взаємодіями з матеріалами.