في هذا المقال، سنتحدث عن ظاهرة غريبة تحدث عند تطبيق قوى مغناطيسية على جسيمات الرمل المغلفة بالأكسيد الحديدي، حيث تتحرك هذه الجسيمات بشكل جماعي صعودًا على الرغم من قوة الجاذبية. تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل باحثين في جامعة ليهاي في ولاية بنسلفانيا، ونشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications في سبتمبر.
الرمل كمادة حبيبية غريبة
الرمل هو مادة مثيرة للاهتمام من وجهة نظر الفيزياء، حيث يتصرف كسائل وصلب في نفس الوقت. يتدفق الرمل الجاف في دلو مثل السائل، ولكنه يمكنه دعم وزن صخرة موضوعة عليه مثل الصلب، على الرغم من أن الصخرة أكثر كثافة من الرمل. يتحدى الرمل المعادلات المنظمة لمختلف مراحل المادة، ويتحول من “سائل” إلى “صلب” بسرعة كبيرة. يبدو أن الحبيبات تتصرف كأفراد في الحالة السائلة، ولكنها قادرة على التجمع فجأة عندما يكون الوحدة ضرورية، مما يحقق نوعًا غريبًا من “القوة في الأعداد”.
تحرك الرمل صعودًا جماعيًا
تحرك الرمل صعودًا جماعيًا؟ هذا سلوك غريب حقًا. اكتشف المهندس جيمس جيلكريست من جامعة ليهاي هذه الظاهرة الغريبة أثناء تجربته مع “مايكرو-روولرز”: جسيمات بوليمرية مغلفة بأكسيد الحديد. لاحظ أنه عندما يدور مغناطيس تحت زجاجة تحتوي على مايكرو-روولرز، بدأت الجسيمات في التجمع صعودًا. بالطبع، كان عليه وعلى زملائه أن يستكشفوا المزيد من هذه الظاهرة.
التجارب والنتائج
لتجاربهم، قام جيلكريست وفريقه بتثبيت المغناطيسات النيوديميوم على عجلة محركة بزوايا 90 درجة، مع تناوب القطبين الموجهين للخارج. تضم الأداة أيضًا حامل عينة ومجهر USB في وضع ثابت. تم إعداد المايكرو-روولرز عن طريق تعليقها في زجاجة زجاجية تحتوي على إيثانول واستخدام مغناطيس لفصلها عن الغبار أو أي جسيمات غير مغلفة. بمجرد أن تصبح المايكرو-روولرز نظيفة، يتم تعليقها في إيثانول نقي وتحميلها على حامل العينة. يقوم محرك اهتزازي بتحريك العينات لإنتاج أسرة حبيبية مسطحة، وتُعيد العجلة المحركة تشغيلها لتطبيق عزم مغناطيسي. يقيس جهاز الجاوس المجال المغناطيسي بالنسبة للاتجاه.
وكانت النتائج: بدأ كل مايكرو-روولر يدور استجابة لعزم المغناطيس، مما أدى إلى تكوين أزواج قصيرة الأمد ثم تفككها، وزيادة القوة المغناطيسية زادت تماسك الجسيمات. هذا بدوره منح المايكرو-روولرز مزيدًا من الثبات ومكنها من التحرك بشكل أسرع، والعمل معًا للتدفق صعودًا بشكل معاكس للتوقعات. في غياب عزم المغناطيس، يتدفق المايكرو-روولرز بشكل طبيعي صعودًا. كانت العملية التي تسببها عزم المغناطيس غير متوقعة لدرجة أن الباحثين ابتكروا مصطلحًا جديدًا لوصفها: “زاوية الراحة السلبية” التي تسببها معامل الاحتكاك السلبي.
التطبيقات المحتملة
إنها دليل مثير للاهتمام يمكن أن يؤدي في يوم من الأيام إلى طرق جديدة للتحكم في خلط أو فصل المواد، بالإضافة إلى تطبيقات الميكروروبوتات الجماعية. لقد بدأ العلماء بالفعل في بناء سلالم صغيرة باستخدام قاطعات الليزر وتصوير المايكرو-روولرز وهي تتسلق وتنزل. لا يمكن لمايكرو-روولر واحد التغلب على ارتفاع كل خطوة، ولكن العديد منها يمكنها القيام بذلك بشكل جماعي، كما يقول جيلكريست.
DOI: Nature Communications، 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (حول DOIs).
اترك تعليقاً