موتوری کوچک که با نور و فیزیک مایع به راه میافتد
پژوهش گران موتورهای کوچک متنوعی را ساخته اند که برای تبدیل اشکال مختلف انرژی به شکل حرکت بکار می روند. آخرین مثال از این نوع، ذره ای کروی است که سریعاً حول یک پرتوی لیزری می چرخد. به بیان محققان طرح های آتی به این ذره این امکان را خواهد داد تا بتوان آن را به دیگر مولفه های میکرومقیاس جفت کرد و برای مثال برای مخلوط کردن سیالات بر روی قطعات آزمایشگاه بر روی تراشه استفاده کرد.
چند سال پیش، پدرو کوانتو-سو ( Pedro Quinto-Su ) از دانشگاه خودمختار ملی مکزیکو سیستم فیزیکی را ایجاد کرده اند که یک موتور بخارمیکروسکوپیک [1] نام گرفته است. وی یک ذره ی کوچک را در انبرک های اپتیکی استاندارد (پرتوی لیزریِ متمرکزی است که قادر است ذره ای را در شدید ترین نقطه اش نگه دارد) به دام می اندازد. این ذره در آب قرار داشته و وقتی با توان لیزری کافی گرم می شود، آب پیرامون آن جوشیده و حباب بخاری را تولید می کند که ذره را به دور از محور پرتو می راند. سپس ذره سرد شده و با انبرک های اپتیکی به عقب بازمی گردد جایی که حباب دوباره جذب می شود. نتیجه ذره ای است که متناوباً به عقب و جلو می پرد
جیووانی والپ ( Giovanni Volpe ) از دانشگاه گوتنبرگِ سوئد و همکارانش چیزی را ساخته اند که به گمان آن ها نسخه ی بهینه ای از موتور کوانتو-سو است. آن ها یک مخلوط مایع را با آب جایگزین ساخته اند. این مایع خود، از دو مایع تشکیل شده که تنها در دمای اندکی پائین تر از آن دمایی قرار دارد که جدا شوند یا «دوباره ترکیب شوند». محققان با این جابه جایی دریافته اند که بجای حرکت به عقب و جلو، این ذره حول محور پرتو می چرخد.
این ترکیب، مخلوطی از آب و حدود ۳۰ درصد ۲-۶، لوتینیدین و یک ترکیب آلی است. با این نسبت ها دو مایع وقتی سرد هستند با هم مخلوط می شوند اما وقتی به بالاتر از ۳۴ درجه گرم می شوند، غلظت به شکل محلی تغییر کرده و سپس کاملاً با هم مخلوط می شوند. این پژوهش گران کره هایی به قطر 2.48 میکرومتر از سیلیکا را با اجزاء اکسید آهن در این مخلوط مایع و در دماهای چند درجه پایین تر از مقدار بحرانی غوطه ور ساخته اند. سپس یکی از این کره ها را در انبرک های اپتیکی به دام انداخته اند.
اکسید آهن در کره ها امکان جذب انرژی نور را فراهم کرده و دما را بالا می برد و موجب می شود تا اندکی از مرکز پرتو منحرف شود و طرفی که به پرتو نزدیک تر است گرم تر خواهد بود. این گرمای کم، غلظت محلی لتیدین را نسبت به آب در طرف کره افزایش می دهد که باعث می شود تا کره در جهت خلاف حرکت کند چون سطحش آب دوست بوده و به آب جذب شده است. بنابراین کره مکان ثابتی را با مرکزش تاحدودی کمتر از یک میکرومتر بدور از محور مرکزی پرتوی لیزری پیدا می کند.
بعلاوه، حرارت دهی نامنظم که از توزیع غیریکنواخت اکسید آهن در درون کره نتیجه می شود، یک نیروی جانبی را ایجاد می کند که کره را برای چرخش حول پرتوی لیزری هل می دهد. این محققان مجموعه ای از این آزمایش ها را که در آن، مایع در ۲۶ درجه سلسیوس نگه داشته شده و تدریجاً توان لیزری تا چند میلی وات افزایش می یابد را انجام داده اند. در توان پایین (کمتر از حدود ۲ میلی وات) گرمادهی برای دوباره مخلوط شدنِ مایع کافی نیست و کره ثابت می ماند. با افزایش توان و گرمای محلی، کره به دور از مرکز حرکت می کند و آرام آرام اما نامنظم حول پرتوی لیزری می چرخد. گاهی اوقات کره به سمت محور کشیده می شود و سپس در جهت خلاف شروع به چرخش می کند. به گفته ی پژوهش گران این به دلیل آن است که حرکت براونی حرکت و جهت گیری ذره را مختل می کند.
با توان لیزری 2.7 میلی وات، حرکت در ۱۱۶۰ دور در دقیقه پایدار می ماند که در آن حالت، مرکز کره ۱ میکرومتر از محور دور است. به بیان ولپ، این حرکت به شکل نامحدودی ادامه می یابد. در 2.3 میلی وات دوباره نامنظم می شود و حتی در توان های بالاتر نیرویی که برای دوباره مخلوط شدن است کره را به دور از انبرک های اپتیکی می راند. این تیم محاسبات عددی را نیز انجام داده اند که به شکل کیفی با رفتار مشاهده شده تطابق داشته و درک آن ها را از نیروی درگیر تایید می کند.
به بیان این پژوهش گران، طرح مناسب از یک کره ی نامتقارن بایستی این امکان را فراهم کند تا ذره در یک جهت ترجیحی بچرخد. به گمان ولپ، ذره چرخنده می تواند قطرات کوچک سیال استفاده شده در قطعات آزمایشگاه روی تراشه را مخلوط کند؛ جایی که مخلوط شدن طبیعی، به دلیل کمبود آشفتگی در چنان فضاهایی، محدود می شود. به بیان ولپ، شاید جفت کردن این حرکت به عنصر میکروسکوپیکی دیگر، با یک اتصال مغناطیسی یا یک مولکول پلیمری نیز دشوار نباشد.
کوانتو-سو این مکانیزم جدید را «بسیار هوشمندانه» توصیف می کند. او نیز مثل ولپ و همکارانش خاطر نشان می کند که دستیابی به سرعت های چرخش بالا با تغییرات دمایی کم و با چند میلی وات توان لیزری در تضاد با دیگر سیستم های محرک اپتیکی قرار دارد که در آن برای انجام این کار به چند وات نیاز است و تغییرات داخلی بزرگتری نیز بوجود می آید. به گفته ی کوانتو-سو این «ویژگی های قابل توجه» بایستی دیگر محققان را برای جستجوی طرح های موتورهای میکروی دیگر تشویق کند.
این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
منبع:
- P. A. Quinto-Su, “A Microscopic Steam Engine Implemented in an Optical Tweezer,” Nat. Commun. 5, 5889 (2014) .
دربارهی نویسنده:
دیوید لیندلی ( David Lindley ) نویسنده ی آزاد در ویرجینیا است.
منبع:
A Tiny Engine Powered by Light and Liquid Physics