في هذا المقال، سنتعرف على ظاهرة غريبة تحدث عند تطبيق قوى مغناطيسية على جسيمات الرمل المغلفة بأكسيد الحديد، حيث تتحرك هذه الجسيمات بشكل جماعي صعودًا على الرغم من قوة الجاذبية. قام باحثون في جامعة ليهاي في بنسلفانيا بدراسة هذه الظاهرة ونشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications في سبتمبر.
الرمال كمادة حبيبية غريبة
تعتبر الرمال مادة مثيرة للاهتمام من وجهة نظر الفيزياء، حيث تتصرف كسائل وصلب في نفس الوقت. فالرمال الجافة تتدفق كالسائل عندما تُجمع في دلو، ولكنها تستطيع أن تحمل وزن صخرة موضوعة فوقها كالصلب، على الرغم من أن الصخرة أكثر كثافة من الرمل. إن الرمال تتحدى المعادلات التقليدية التي تصف مراحل المادة المختلفة، وتتحول من “سائل” إلى “صلب” بشكل سريع. 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 الرمال صعودًا
لا يمكن للفيزيائيين توقع حدوث انهيار ثلجي بدقة. وذلك بسبب العدد الهائل من حبيبات الرمل في حتى أصغر كومة، حيث يتفاعل كل حبيبة مع العديد من الحبيبات المجاورة لها في نفس الوقت، وتتغير هذه الحبيبات المجاورة من لحظة إلى أخرى. حتى الحاسوب العملاق لا يستطيع تتبع حركة الحبيبات الفردية على مر الزمن، لذا فإن فيزياء تدفق المواد الحبيبية تبقى مجالًا بحثيًا حيويًا.
ولكن ماذا عن حبيبات الرمل التي تتحرك جماعيًا صعودًا؟ هذا سلوك غريب ببساطة. 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
لتنفيذ التجارب، قام جيلكريست وفريقه بتثبيت المغناطيسات النيوديميوم على عجلة محرك بزوايا 90 درجة، وتناوبوا بين القطبين الموجهين للخارج. تضم الأداة أيضًا حامل عينة ومجهر USB في وضع ثابت. تم إعداد مايكرو-روولرز عن طريق تعليقها في زجاجة زجاجية تحتوي على إيثانول واستخدام مغناطيس لفصلها عن الغبار أو أي جسيمات غير مغلفة. بعد تنظيف مايكرو-روولرز، تم تعليقها في إيثانول نقي وتحميلها على حامل العينة. قام محرك اهتزازي بتحريك العينات لإنتاج أسرة حبيبية مسطحة، وتم تشغيل العجلة المحركة لتطبيق عزم مغناطيسي. قام جهاز قاوس بقياس قوة المجال المغناطيسي بالنسبة للاتجاه.
كانت النتائج: بدأت كل مايكرو-روولر بالدوران استجابة لعزم المغناطيس، مما أدى إلى تكوين أزواج قصيرة الأمد ثم تفككها، وزيادة قوة المغناطيس زادت تماسك الجسيمات. هذا بدوره أعطى المايكرو-روولرز مزيدًا من الثبات ومكنها من التحرك بسرعة أكبر، والعمل معًا للتدفق صعودًا بشكل معاكس للتوقعات. في غياب عزم المغناطيس، تدفقت المايكرو-روولرز بشكل طبيعي صعودًا. كانت الحركة الناتجة عن عزم المغناطيس غير متوقعة لدرجة أن الباحثين ابتكروا مصطلحًا جديدًا لوصفها: “زاوية الراحة السلبية” التي تسببها معامل الاحتكاك السلبي.
تطبيقات محتملة
إنها دليل مثير للاهتمام يمكن أن يؤدي في يوم من الأيام إلى طرق جديدة للتحكم في خلط أو فصل المواد، وكذلك تطبيقات محتملة في مجال الميكروروبوتات السربية. لقد بدأ العلماء بالفعل في بناء سلالم صغيرة باستخدام قاطعات ليزر وتصوير مايكرو-روولرز وهي تتسلق صعودًا وهبوطًا. لا يمكن لمايكرو-روولر واحد أن يتغلب على ارتفاع كل خطوة، ولكن العديد منها يمكنها القيام بذلك بشكل جماعي، كما أوضح جيلكريست.
DOI: Nature Communications، 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (حول DOIs).
اترك تعليقاً