دانشمندان با ايجاد مايع معلق، موفق شدند اجسام را در سطح زيرين آن شناور كنند
چگونه ممكن است قايقي به شكل وارونه در سطح زيرين مايعي شناور در هوا باقي بماند؟ گروهي از دانشمندان فرانسوي با استفاده از چند ترفند علمي، نشان دادند كه نهتنها ميتوانند لايهاي از مايع چسبناك را در هوا شناور نگه دارند، بلكه قايق كوچك اسباببازي نيز بههمان شكلي كه بهطور طبيعي روي سطح بالاي آن شناور ميشود، ميتواند در سطح پايين مايع بماند.
امانوئل فورت، استاد مؤسسه يادگيري عالي شيمي و فيزيك صنعتي شهر پاريس (ESPCI Paris) و يكي از نويسندگان مقالهاي كه اخيرا در مجلهي Nature منتشر شد و اين شاهكار ظاهرا غيرممكن را توصيف ميكند، گفت: «اين آزمايشي جالب بود. همه چيز بهخوبي كار ميكرد و من هنوز از اين نتايج شگفتزده هستم.»
وقتي مايعات داراي چگالي مختلف با هم مخلوط ميشوند، معمولا مايع چگالتر در زير تهنشين ميشود. بههمين دليل است كه نفت روي آب شناور ميماند. حتي اگر ابتدا لايهاي از نفت را در ظرفي بريزيد و سپس با دقت آب را روي آن اضافه كنيد، آب سنگينتر شروع به چكيدن از لايهي نفت ميكند و ريشههايي را تشكيل ميدهد كه به كف ميرسد. بهزودي آب زير روغن قرار ميگيرد. اين حالت نظير نحوهي آويزان ماندن يك آونگ سخت بهطور مستتقيم بهسمت پايين است. موقعيت معكوس كه در آن آونگ به سمت بالا قرار ميگيرد نيز يك موقعيت تعادل است و نيروهاي دستاندركار كاملا در تعادل هستند. اما با كوچكترين اغتشاشي اين تعادل از دست ميرود و آونگ بهسمت پايين ميچرخد.
پژوهش دكتر فورت درزمينهي مايع شناور زماني آغاز شد كه او صحبتهايي را درمورد آونگ كاپيتسا شنيد. نام اين آونگ برگرفته از نام پيوتر كاپيتسا فيزيكدان روسي است كه در سال ۱۹۵۱ توضيح داد كه چگونه اگر آونگ در فركانس مناسبي به سمت بالا و پايين به نوسان درآيد، تا آخر روبهبالا ميايستد. جرقهاي از الهام براي دكتر فورت به وجود آمد: بهجاي داشتن آونگ وارونه ممكن است بتوانيم لايهاي مايع وارونه داشته باشيم. به عبارت ديگر، آنها ميخواستند لايهاي از مايع را روي هوا ايجاد كنند. اين كار با لايهاي از آب كه بهآساني مواج و ناپايدار ميشود، ميسر نيست اما با گليسرول و روغن سيليكون كه نسبتبه آب غليظتر هستند، امكانپذير ميشود. ويسكوزيته بالاتر امواج را سركوب ميكند.
ارتعاشات به شناور ماندن لايه روغن سيليكون كمك ميكنند. اين ارتعاشات با فركانس حدود ۱۰۰ چرخه در ثانيه موجب شد حبابهاي تزريقشده به مايع به سمت پايين رانده شوند و بالشتكي از هوا زير مايع درحال ارتعاش تشكيل شود. اين ارتعاشات همچنين باعث ايجاد ريتم پيوستهاي از فشردهسازي ميشود كه مايع شناور را بهصورت دستنخورده حفظ ميكند. وقتي قطرهاي شروع به تشكيل ميكند، نيروي رو به بالاي هوا، قطره را به درون لايه برميگرداند و آن را دستنخورده نگه ميدارد.
حتي مقدار كمي مايع ميتواند به اين شيوه شناور بماند. پژوهشگران نشان دادند كه ميتوانند حدود نيم ليتر مايع را شناور كنند و مايع ميتواند به پهناي حدود ۲۰ سانتيمتر پخش شود. دكتر فورت گفت: «هيچ محدوديتي وجود ندارد؛ فقط بايد بيشتر تكان دهيد.» البته سكوهاي تكاندهندهي بزرگتر هزينهي بسيار بيشتري دارند. دكتر فورت همچنين مطالعه كرد كه چگونه قطرات و امواج در آب ميتوانند بهعنوان مدلهايي براي جنبههاي خاصي از مكانيك كوانتوم عمل كنند.
درحاليكه شناور شدن يك مايع شناخته شده بود، پژوهشگران نشان دادند كه اشياء نيز ميتوانند روي سطح زيرين آن شناور بمانند
البته جستوجو در مقالات علمي نشان ميداد شناور كردن مايعات با استفاده از ارتعاشات موضوع جديدي نيست. دانشمندان ديگر اين پديده را دههها پيش كشف كرده بودند. اما تيم دكتر فورت پديدهي غيرعادي را شناسايي كردند: اينكه اشياء ميتوانند روي سطح زيرين اين مايع شناور بمانند. به دليل وزن مايع، هواي زير لايهي شناور متراكمتر است و اين هواي متراكمتر، قايق را بهسمت مايع فشار ميدهد و با نيروي جاذبهي رو به پايين مقابله ميكند. اثر خالص اين نيروها است كه موجب ميشود قايق بهصورت وارونه شناور بماند. دكتر فورت گفت: «ارتعاشات همهجانبه به شما كمك ميكنند تا اين موقعيت تعادل را حفظ كنيد. اين شهودي نيست.» درواقع خود دانشمندان نيز متعجب شدند. دكتر فورت گفت: «ما فكر ميكرديم كه بهراحتي سقوط خواهد كرد.»
دانشمندان در آزمايش خود ابتدا از مهرههاي گرد كوچك استفاده كردند؛ اما در ادامه با استفاده از چاپگر سهبعدي اشكالي ساختند و شناور ماندن آنها را در لايهي زيرين مايع شناور مورد مطالعه قرار دادند. اين اشكال شامل اردكها و قورباغهها ميشد. تمامي آنها به سمت پايين در بخش پايين مايع شناور ماندند. دكتر فورت گفت: «اما من فكر ميكنم، قايق عالي بود.»
ولاديسلاو سوروكين از دانشگاه اوكلند نيوزلند و ايليا بلكمن از آكادمي علوم روسيه در تفسيري كه همراه مقالهي جديد منتشر شد، نوشتند كه پژوهش جديد نشان ميدهد بسياري از پديدههاي غيرعادي كه از سيستمهاي مكانيكي ارتعاشكننده ناشي ميشوند، خصوصا درزمينهي واسطهاي ميان گازها و مايعات هنوز كشف نشده و توضيح داده نشدهاند.
دكتر فورت گفت اين پژوهش ميتواند متخصصدهاي عملي درزمينهي مخلوط كردن مايعات و جامدات و احتمالا جدا كردن آنها از هم داشته باشد. او گفت كساني كه به آزمايشگاه آمدند و آزمايش را ديدند بهطور كلي دو واكنش نشان دادند. يك گروه آن را باور نكرده و فكر ميكردند نوعي تردستي است، اما ديگران با نگاه هنرمندانهتري به آن نگاه ميكردند؛ گويي به اتفاقي خيالي مينگرند.
هم انديشي ها