تمكن علماء معهد وايزمان من ملاحظة لأول مرة موجات مرنة في تدفق سائل لزج مرن - في نطاق طول موجي مختلف عن ذلك الذي تنبأت به النظرية
إذا أخذنا جزيئات كبيرة من البوليمر، وأضفناها إلى المحلول وجعلناها تتدفق، على سبيل المثال، عن طريق إمالة الوعاء وخلق سرعات مختلفة في نقاط مختلفة، سيحدث شيء معجزة: الجزيئات سوف تتمدد أثناء تحركها، والحل - حتى لو بدت مائية من قبل - ستصبح مرنة ولزجة. هذه الظاهرة، المعروفة باسم اللزوجة المرنة (أو اللزوجة المرنة إذا أردت)، تنتج عن مجالات الإجهاد الناتجة عن الجزيئات الممتدة. يقول البروفيسور فيكتور شتاينبرغ من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم: "إن جزيئات الحمض النووي الريبوزي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) أو جزيئات البوليمر الاصطناعية - جميعها تتصرف بنفس الطريقة تمامًا". منذ حوالي 20 عامًا، وصف البروفيسور شتاينبرغ وأعضاء مجموعته البحثية نوعًا جديدًا من التدفق الفوضوي في الموائع اللزجة المرنة، والذي أطلقوا عليه اسم الاضطراب المرن. والآن يقدمون دليلاً على ظاهرة أخرى تتعلق باللزوجة المرنة: وهي الموجات المرنة.
تم بالفعل وصف الموجات المرنة منذ سنوات في تحليلات علماء الفيزياء النظرية من معهد وايزمان للعلوم ومعهد لانداو للفيزياء النظرية في موسكو. ومع ذلك، توقع المنظرون أنه لن يتمكن أحد من رؤية هذه الموجات على الإطلاق، لأنها تتحلل بسرعة في التيار المرن. يوضح البروفيسور شتاينبرغ أن "التدفق المرن الفوضوي يختلف عن النهر المتدفق، على سبيل المثال، لأنه في النهر، يكون التدفق الفوضوي للمياه عشوائيًا، سواء في المكان أو في الزمان، بينما في التدفق المرن الفوضوي، يكون التدفق سلسة في المكان، ولكنها عشوائية في الزمن." وكما أن التدفق المرن غير عادي، فإن الموجات المرنة كذلك - على عكس الموجات الصوتية أو الأمواج في المحيط، التي تعتمد سرعتها على خصائص المادة، فإن سرعة الموجات المرنة تعتمد فقط على الجهود المبذولة على البوليمرات أثناء تواجدها. وتمتد في التيار. يقول البروفيسور شتاينبرغ: "إن أقرب تشبيه لهذا في حياتنا اليومية، هو صوت الحنق على الكمان أو الجيتار - والذي يتأثر باتجاه الأوتار".
منذ اكتشاف التدفق المرن، أجرى البروفيسور شتاينبرغ وفريقه البحثي العديد من التجارب لقياس مدى تمدد وجهد جزيء بوليمر واحد في المحلول. وبما أنه لم يتم ملاحظة الموجات المرنة في هذه التجارب، فقد افترض الباحثون أنها تضمحل بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تسجيلها، كما تنبأت التنبؤات النظرية.
يختلف التدفق المرن الفوضوي عن النهر المتدفق، على سبيل المثال، لأنه في النهر، يكون التدفق الفوضوي للمياه عشوائيًا، سواء في المكان أو في الزمان، بينما في التدفق المرن الفوضوي، يكون التدفق سلسًا في الفضاء، ولكنه عشوائي في الزمن ".
تغير كل هذا مؤخرًا عندما لاحظ البروفيسور شتاينبرغ والدكتور أتول فارشاني، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعته، لأول مرة موجات مرنة في التدفق في الأنابيب الدقيقة بين عائقين مع وجود فجوات كبيرة بينهما. يقول البروفيسور شتاينبرغ: "الآن أفهم لماذا لم ننجح في المحاولات السابقة". "لقد وجدنا موجات مرنة في نطاق طول موجي مختلف عن ذلك الذي تنبأت به النظرية - أطوال موجية أطول مع اضمحلال أصغر." وبما أن سرعة الموجة المرنة يتم تحديدها فقط من خلال الضغط المرن، فإن هذا هو أول قياس مباشر للضغط في التدفق المرن.
واكتشف الباحثون أيضًا أنه كلما زاد التمدد في البوليمرات، زادت سرعة الموجة، وعندما يكون التمدد مسترخيًا، تنخفض السرعة بالكامل تقريبًا. والموجات الأقرب إلى تلك التي لاحظها الباحثون هي من النوع الذي يظهر في البلازما عندما يتم تطبيق الضغط عليها من خلال مجال مغناطيسي. وقد نشرت نتائج البحث مؤخرا في المجلة العلمية Nature Communications.
وبصرف النظر عن المنظرين، الذين سيتعين عليهم الآن تكييف النموذج مع النتائج الجديدة، فقد تكون الاكتشافات أيضًا ذات صلة بمجالات أخرى. قد يفسر تدفق البوليمرات في أنابيب صغيرة خصائص تدفق السوائل البيولوجية في الخلية. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون للنتائج آثار على الموائع الدقيقة - وهو مجال معرفي سريع النمو، خاصة في سياق الأنظمة التكنولوجية التي تعمل في وسط سائل.
هذه هي الطريقة التي تتدفق بها الإلكترونات
تم مؤخرًا استخدام نظام موائع جزيئية آخر في مختبر البروفيسور شتاينبرغ لإثبات ظاهرة، على ما يبدو، لا علاقة لها بالسوائل والتدفق: التيار الكهربائي في مادة ثنائية الأبعاد. المادة هي الجرافين - طبقة واحدة من ذرات الكربون منظمة في شبكة تشبه الأسلاك. وهذه المادة، التي اكتشفها الباحثون في المملكة المتحدة لأول مرة عام 2004، هي عبارة عن مادة شبه موصلة أثارت خيال الباحثين في جميع أنحاء العالم الذين أدركوا إمكانية استخدامها لصنع أي شيء تقريبًا - بدءًا من الأجهزة الإلكترونية القابلة للطي إلى الدهانات الذكية. ومع ذلك، لا تزال الأبحاث الأساسية في هذا المجال مهتمة بالأسئلة الأساسية، مثل كيفية تحرك الإلكترونات في هذه الطبقة الفريدة ثنائية الأبعاد. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن تدفق الإلكترونات في الجرافين لا يشبه على الإطلاق تدفق الإلكترونات في سلك نحاسي - أي أحادي الاتجاه وموحد - ولكنه يميل إلى التصرف مثل السائل اللزج. وقد أظهرت دراسات أخرى أنه في مناطق معينة من طبقة الجرافين، يمكن للإلكترونات أن تدور و"تسير عكس التيار" - على غرار الدوامات التي تظهر في السائل اللزج.
التدفق الدوامي في مساحة مستطيلة (الأسهم تشير إلى اتجاه التدفق)
نظرًا لصعوبة مراقبة دوامات الإلكترون، اختار الباحثون إثبات هذه الدوامات عن طريق تدفق السوائل ذات لزوجة قريبة من لزوجة الإلكترونات الموجودة في الجرافين في أنابيب الموائع الدقيقة. وقد وجد البروفيسور شتاينبرغ والدكتور فارشاني وطالب البحث السابق يوناتان ميسل أنه في كل ما قيل عن الدوامات، فإن نتائج التجربة تطابقت مع النظرية. ومع ذلك، فقد تم اكتشاف أن التشابه بين تدفق الإلكترون في الجرافين والنموذج الكلاسيكي للتدفق اللزج أكبر: فقد تم أيضًا التحقق من عتبة الاحتكاك المطلوبة لبدء دوامات الإلكترون، كما هو متوقع نظريًا، تجريبيًا في سائل لزج. وهكذا، كما ورد في المجلة العلمية Nature Communications، يبدو أن النموذج النظري ثنائي الأبعاد لتدفق الإلكترون في الجرافين متوافق بالفعل مع النموذج الكلاسيكي لتدفق السوائل ثلاثي الأبعاد.
