علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Moving furniture in the micro-world
(University of Konstanz – تقديم: جامعة كونستانس الألمانية)
ملخص المقالة:
يقوم الناس بشكل حدسي بتدوير الأشياء الثقيلة عند تحريكها لتسهيل ذلك، وقد قام فريق بحث دولي من جامعة كونستانس (ألمانيا) وتريست وميلانو (إيطاليا) بالتحقيق على النطاق المجهري في تقليل الاحتكاك الساكن الناجم عن الدوران المتزامن، ووجدوا أن الانخفاض في الاحتكاك الساكن لجسم مجهري على سطح بلوري يمكن وصفه بأنماط “موريه”، والتي تحدث عندما تتراكب الأنماط الدورية. وبناءً على هذا المفهوم، يمكن ضبط الأجسام المجهرية في الدوران من خلال تطبيق حد أدنى من عزم الدوران، ويمكن أن يؤدي ذلك في المستقبل إلى بناء آلات دقيقة ذات احتكاك ثابت منخفض للغاية ضد الدوران.
( المقالة )
عند نقل الأثاث، يسهل تحريك الأشياء الثقيلة إذا قمت بتدويرها أثناء الدفع. وكثير من الناس يفعلون ذلك بشكل حدسي. وقد قام فريق بحث دولي من جامعة كونستانس (ألمانيا) وتريست وميلانو (إيطاليا) بالتحقيق على النطاق المجهري في تقليل الاحتكاك الساكن الناجم عن الدوران المتزامن.
وفي دراستهم الأخيرة، التي تم نشرها في مجلة “مراجعات اكس المادية” (Physical Review X) في 15 يونيو، وجد الباحثون أن الانخفاض في الاحتكاك الساكن لجسم مجهري على سطح بلوري يمكن وصفه بأنماط “موريه”، والتي تحدث عندما تتراكب الأنماط الدورية. وبناءً على هذا المفهوم، يتوقع الباحثون حالة غير عادية، حيث يمكن ضبط الأجسام المجهرية في الدوران من خلال تطبيق حد أدنى من عزم الدوران. وفي المستقبل، يمكن أن يؤدي ذلك إلى بناء آلات دقيقة ذات احتكاك ثابت منخفض للغاية ضد الدوران.
وضع الأشياء في الحركة
لتحريك جسم ما، يحتاج المرء إلى دفعه للتغلب على احتكاكه الساكن بالسطح تحته. وهذا صحيح حتى لو كانت الأسطح الملامسة ناعمة جدًا. وتعلمنا التجربة اليومية أن الاحتكاك الساكن يكون أصغر بكثير عندما لا يتم دفع الجسم فحسب، بل يتم تدويره في نفس الوقت.
وعلى الرغم من أن العلماء المشهورين، مثل ليوناردو دافنشي، قد درسوا بالفعل ظواهر الاحتكاك منذ أكثر من 500 عام، إلا أن العلاقة بين قوى الاحتكاك الساكن وعزم الدوران لا تزال غير مفهومة تمامًا. وهذا أمر رائع للغاية، نظرًا لأن الاحتكاك الدوراني ينشأ من نفس التفاعل بين الكائن والسطح الأساسي مثل الاحتكاك الانتقالي (الاحتكاك في الاتصال بين الأجسام المتحركة) الذي تم استكشافه جيدًا.
وتصبح العلاقة المعقدة بين الاحتكاك الانتقالي الساكن والاحتكاك الدوراني أكثر إثارة للاهتمام على المستوى المجهري، حيث تتضمن التلامسات المسطحة بضع مئات إلى بضعة آلاف من الذرات. “على سبيل المثال، تحدث مثل هذه التلامسات الدقيقة في الأجهزة الميكانيكية الدقيقة – المعروفة باسم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) – التي تهيمن على سلوكها تأثيرات الاحتكاك”، كما يقول البروفيسور كليمنتس بيشينغر، رئيس فريق البحث وأستاذ الفيزياء التجريبية في جامعة كونستانس ، متسلحا بتقديم مثالاً على المكان الذي تلعب فيه تأثيرات الاحتكاك دورًا مهمًا على النطاق المجهري.
وظل الاحتكاك الدوراني وتفاعله مع الاحتكاك الانتقالي لمثل هذه التلامسات الصغيرة غير مستكشَف إلى حدٍ ما، لأنه من الصعب جدًا من الناحية الفنية تطبيق عزم دوران جيد التحكم في الأجسام الدقيقة الدوارة.
أنماط مواريه (Moiré patterns) هي المفتاح
في دراستهم الأخيرة – التي جمعت بين المقاربات التجريبية والنظرية – تغلب الباحثون من جامعة كونستانس وتريست وميلانو على هذا التحدي ودرسوا الاحتكاك الدوراني وتفاعله مع الاحتكاك الانتقالي للتلامسات المجهرية. “أنشأنا لتجاربنا تجمعات بلورية مصنوعة من كرات مغناطيسية بحجم ميكرون وجعلناها تتلامس مع سطح منتظم وتدفق متكرر بانتظام”، كما يصف الدكتور شين كاو، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة والزميل في مؤسسة هومبولت (مؤسسة ألمانية لدعم الأبحاث) في مجموعة عمل البروفيسور كليمنتس بيتشينغر، نقطة البداية للتجارب. ويتابع: “هذا الإعداد يحاكي منطقة التلامس بين سطحين مستويين ذريًا”.
وتم بعد ذلك ضبط التجمعات ثنائية الأبعاد – مع تلامسات للسطح المكونة من 10 إلى 1000 جسيم كروي – في حركة دورانية باستخدام مجال مغناطيسي دوار يمكن التحكم فيه بدرجة عالية. ويتوافق الحد الأدنى لعزم الدوران المطلوب لجعل دوران التجمع المعني مع الاحتكاك الدوراني الساكن، على غرار الاحتكاك الانتقالي الساكن، والذي يميز الحد الأدنى من القوة المطلوبة لتحقيق حركة التجمع الانتقالية.
وقد وجد الباحثون في دراستهم أن التفاعل بين الاحتكاك الدوراني والانتقالي يمكن فهمه من خلال خصائص ما يُعرف باسم أنماط “مواريه”. وتنشأ هذه الأنماط عندما يتراكب هيكلان دوريان أو أكثر. ويوضح الدكتور أندريا سيلفا، المؤلف الرئيسي الثاني للدراسة والفيزيائي في المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة (SISSA ) في مدينة تريست الايطالية: “الأنماط الناتجة حساسة للغاية للحركات النسبية الدقيقة وتظهر هياكل هندسية عالية المستوى غير موجودة في الهياكل المتداخلة نفسها”.
ميزة الدوران المتزامن
بالعودة إلى التجارب، يصف الدكتور أندريا سيلفا: “يمكن مقارنة التلامس بين مجموعة الجسيمات والسطح الأساسي في المناطق التي تتطابق فيها التواترات في بنية كلا الجسمين بالبيض في كرتونة البيض”. وبدون تطبيق قوى خارجية أو عزم دوران، تكون مساحة التداخل الهيكلي هذه بحد أقصى، مما يعني أن عددًا كبيرًا من جزيئات التجمع قريب من قاع السطح المنمطة، مؤدية إلى احتكاك ثابت عالي.
وعندما يتم تطبيق قوة على التجمع لدفعها في اتجاه معين، تنتقل منطقة التداخل الهيكلي إلى حافة منطقة التلامس. ونتيجة لذلك، تصبح القوة أصغر. ومع ذلك، يبقى عدد كبير من الجسيمات “عالقة” في قاع الركيزة، بحيث تكون هناك حاجة إلى قوة كبيرة نسبيًا للتغلب على مقاومة التجمع ضد الحركة وإزالتها من الركيزة. ومن ناحية أخرى، إذا كان التجمع تم التواؤه بعزم دوران، فإن مساحة التداخل تتقلص بشكل متماثل. ويقول الدكتور شين كاو، موضحًا كيف أن الدفع والدوران المتزامنين يقللان من الاحتكاك الساكن: “هذا يجعل من السهل جدًا دفع التجمع وتحريكه، نظرًا لأن مساحة التداخل الهيكلي قد تم تقليلها بالفعل بشكل كبير من خلال عزم الدوران المطبق”.
واستنادًا إلى خصائص أنماط “موريه” المرصودة، لم يكن الفيزيائيون قادرين فقط على تفسير سبب تسهيل الدوران الإضافي لنقل الأجسام المجهرية، ولكن أيضًا لعمل تنبؤات حول اعتماد الاحتكاك الساكن ضد التدويرات على حجم التجمع: عندما يتجاوز الأخير عند عتبة معينة، يتناقص الاحتكاك الساكن ضد التدوير بشدة، مؤديا إلى حالة من الاحتكاك الساكن المنخفض للغاية للتجمعات الكبيرة جدًا. ويخلص البروفيسور كليمنتس بيشينغر إلى أن “حالة الاحتكاك المنخفض هذه يمكن أن تكون ذات صلة كبيرة بتصنيع وتشغيل الأجهزة الميكانيكية الصغيرة – من النطاق الذري إلى المقياس الدقيق – مما يقربنا من تحقيق آلات أصغر وأكثر كفاءة”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-06-furniture-micro-world.html
لمزيد من المعلومات: اكسن كاو وآخرون، Moiré-pattern evolution couples rotational and translational friction at crystalline interfaces. arXiv:2204.12336v1 [cond-mat.soft], arxiv.org/abs/2204.12336
