ما الصوت الذي يصدره قطرة الماء؟

قام طالب دكتوراه في كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون بتسجيل الضجيج نفس قطرة الماء في حالة سكون

تعتبر قطرات الماء شائعة في الطبيعة وفي الحياة اليومية وفي العديد من العمليات في الصناعة ومختبرات الأبحاث. يعتقد معظم الناس أن قطرة الماء الموضوعة على سطح ما هي جسم هادئ وساكن، ولكن إذا قمنا بتصوير قطرة ماء عن قرب، قريبة جدًا، وبدقة ذرة واحدة، فسوف نكتشف لدهشتنا أن سطحه المائي ليس سلسًا. في الواقع، سطح الماء يتصرف مثل بحر عاصف في صورة مصغرة.

فالماء الموجود على سطح القطرة يتحرك باستمرار، نتيجة لديناميكية تسمى التذبذب البراوني أو الحراري. تؤثر الحركة الحرارية لسطح الماء على العديد من العمليات وتكون مسؤولة، على سبيل المثال، عن تكسر القطرة الواحدة إلى قطرات أصغر.

قام الباحثون في كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون مؤخرًا بتطوير طريقة لقياس وتسجيل الحركات الحرارية في القطرة. وتعتمد الطريقة المبتكرة، التي نشرت في مجلة أوبتيكا، على إدخال الضوء إلى القطرة. ويدور الضوء داخل القطرة 1,000 مرة، مما يجعل من الممكن قياس التقلبات في نصف قطر القطرة بدقة أقل من حجم ذرة واحدة.

ويوضح البروفيسور تال كارمون، الذي قاد البحث مع طالب الدكتوراه شاي معيني، أن "عدد دورات الضوء في القطرة يسمى الدقة البصرية، وهنا كما ذكرنا يبلغ 1,000. وهذا يعني أنه من الممكن مراقبة الحركات التي تبلغ جزءًا من الألف من الطول الموجي للضوء الذي يتم إدخاله في القطرة. إن قدرة الفصل هذه مناسبة لمراقبة التذبذب الحراري للهبوط."

في الملفات المرفقة، التي سجلها شاي معيني في مختبر البروفيسور كارمون، يمكنك سماع الضوضاء الحرارية الناتجة عن قطرة الماء ورؤية أوضاع التذبذب المميزة للقطرة. ويوضح معيني قائلاً: "إلى جانب الاهتمام العلمي، هناك إمكانية هنا لتطوير أجهزة دقيقة جدرانها مصنوعة من الماء، والتي قد تكون مفيدة في سياقات مختلفة. على سبيل المثال، جهاز يسمى مرنان هجين، حيث تمر موجات الضوء وموجات الماء من خلال بعضها البعض، قد يسمح بتبادل الطاقة بين نوعي الموجات. يمكن استخدام القطرة التي تنعكس فيها موجات الماء وموجات الضوء في نوع جديد من الكاشف الذي يختبر تفاعل الجسم الذي يتم اختباره مع عدة موجات مختلفة. على سبيل المثال، يمكننا إدخال خلية بيولوجية في قطرة وتحديد، بناءً على استجابتها للضوء والماء والموجات الصوتية، ما إذا كانت طبيعية أم سرطانية".

ووفقا للبروفيسور كارمون، "هناك تشابه معين هنا مع الطريقة التي يكتشف بها جسم الإنسان المخاطر - من خلال مزيج من عدة حواس وليس استنادا إلى حاسة واحدة فقط. ولهذا السبب، فإننا نطلق على هذه الطريقة المستقبلية اسم "الكاشف متعدد الحواس"، على عكس التقنية الحالية للكاشف متعدد الترددات (متعدد الأطياف)، حيث يتم اختبار استجابة الجسم لترددات مختلفة لموجة واحدة تم اختباره."

حصل شاي معيني على درجة البكالوريوس (مع مرتبة الشرف) في مسار الهندسة الكهربائية والفيزياء في التخنيون ودرجة الماجستير في الهندسة الكهربائية تحت إشراف الأستاذ المشارك يوفال يعيش. في عام 2012 عاد إلى التخنيون لدراسة الدكتوراه. حصل مؤخراً على منحة وزارة العلوم لطلاب الدكتوراه لعام 2017.

أكمل البروفيسور طال كرمون دراسته الجامعية في الهندسة الميكانيكية والدكتوراه في الفيزياء في التخنيون. بعد حصوله على درجة ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، انتقل إلى جامعة ميشيغان، آن أربور، حيث كان أستاذًا مشاركًا ثم أستاذًا مشاركًا. وفي عام 2013 عاد إلى كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون كأستاذ مشارك. حصل على منحة أشكول ومنحة روتشيلد وجائزة سلاح الجو الأمريكي للباحث الشاب.