当两种物质结合在一起时，它们最终会进入一种被称为热力学平衡的稳定状态。这样的例子在日常生活中处处可见，比如漂浮在水面上的油，与咖啡完美融合的牛奶……不过，在许多科学家心中，非平衡状态可能是比平衡状态更有趣的状态。最近，芬兰阿尔托大学的一组研究人员就想了解，当平衡状态被扰乱时会发生什么。他们想知道非平衡结构是否能被控制，以及可能具有什么用处。
通过实验，研究人员利用电场使一个系统失去平衡，创造出了自然界中几乎不可能找到的液体形状。他们将研究结果发表在了9月15日的《科学进展》杂志上。对许多自然科学领域与技术来说，研究物质在非平衡条件下自发组织成复杂结构具有重大的科学和应用意义。
在物理学的背景下，它通常表现为在外部场的驱动下，系统的对称出现破缺，出现意外的模式；在化学系统中，它通常被视为生物和合成分子的活性凝胶；在生物系统中，生物生命本身就是一群脱离了热力学平衡的分子所表现出的极为复杂的行为。虽然科学家在相关的理论描述方面已经取得了一定进展，但预测能够导致复杂结构出现的系统和所需的非平衡条件仍然是一个挑战。
在新的研究中，研究人员将一个简单的双相液体系统限制在两个非浸润性液体表面之间，在外加电场的作用下，让液滴和界面发生强烈的变形。具体来说，他们使用的是两种有着不同介电常数和电导率的油的混合，这两种互不相溶的油的混合物被夹在两个平行的玻片之间。接着，他们将这些液态的油混合物置于电场中。这时，电荷会在油之间的界面上聚集。电荷密度会将界面从热力学平衡中剪切出来，形成有趣的结构。
由于受到电场的干扰，这些被限制在薄薄的，几乎是二维薄片中的液体，形成了各种完全意想不到的液滴和图样。物理学家在实验室中制造出了方形的液滴和液体晶格。在实验中，这些液滴可以呈现出成正方形和六边形的形态，这在自然界中几乎是不可能的，因为小的气泡和液滴往往形成的是球形。另外，这两种液体的油还形成了可以相互连接的晶格。
我们知道，晶格是出现在固体材料中的有规律的网格结构，这样的结构出现在液体混合物中还是闻所未闻的。不仅如此，这些液体甚至可以被诱导形成环面，即像甜甜圈一样的形状，这种环面可以在电场下仍然维持稳定的形状——这一点也与自然界中的情况不同，在自然情况下，由于液体有着强烈的坍塌倾向，因而容易填充中心空洞。这些液体还可以形成绕轴滚动和旋转的细丝。
研究人员表示，所有这些奇怪的形状都是由这样一个事实造成的，那就是积聚在界面上的电荷的运动，阻止了它们坍缩回到平衡状态。
这项工作的一个令人兴奋的结果是，研究人员有了创建临时结构的能力，并且能够通过控制电场来对临时结构进行精确地控制。另外，它还使得研究人员有了创造出可以滚动的相互作用的微丝和微滴的能力。这可以被用来模仿那些使用完全不同的机制来推动自己的细菌和微藻等微生物的动态和集体行为。此外，新的研究结果可被进一步用于探索和创建电压控制光学器件，这或许将为非平衡光学器件和一些其他研究领域带来新的启示。