استخدام الموجات الصوتية لعمل أنماط لا تتكرر أبدًا

تعاون علماء الرياضيات والمهندسون في جامعة يوتا لإظهار كيف يمكن للموجات فوق الصوتية أن تنظم جزيئات الكربون في الماء إلى نمط لا يتكرر أبدًا. ويقولون إن النتائج يمكن أن تؤدي إلى مواد تسمى “بلورات شبه بلورية” لها خصائص مغناطيسية أو كهربائية مخصصة.

تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.

يقول فرناندو جيفارا فاسكيز ، أستاذ الرياضيات المساعد: “إن دراسة البلورات شبه مثيرة للاهتمام لأنها تمتلك خصائص لا تمتلكها البلورات”. “لقد ثبت أنها أكثر صلابة من المواد الدورية أو المضطربة المماثلة. يمكنها أيضًا توصيل الكهرباء ، أو تشتيت الموجات بطرق مختلفة عن البلورات.”

أنماط غير نمطية

تخيل رقعة الشطرنج. يمكنك أن تأخذ مربعًا مساحته اثنين في اثنين من بلاطات سوداء وبلاطة بيضاء (أو حمراء) ونسخها ولصقها للحصول على رقعة الشطرنج بأكملها. مثل هذه الهياكل “الدورية” ، مع وجود أنماط فعل كرر ، تحدث بشكل طبيعي في البلورات. خذ على سبيل المثال حبة ملح. على المستوى الذري ، إنها شبكة تشبه الشبكة من ذرات الصوديوم والكلوريد. يمكنك نسخ ولصق الشبكة من جزء من البلورة والعثور على تطابق في أي جزء آخر.

لكن البنية شبه الدورية خادعة. أحد الأمثلة على ذلك هو النمط المسمى تبليط بنروز. للوهلة الأولى ، يبدو أن البلاط الهندسي الشكل الماسي في نمط منتظم. لكن لا يمكنك نسخ هذا النمط ولصقه. لن يتكرر.

حصل اكتشاف الهياكل شبه الدورية في بعض السبائك المعدنية من قبل عالم المواد دان شيختمان على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2011 وفتح دراسة لأشباه البلورات.

منذ عام 2012 ، يتعاون جيفارا وبارت رايميكرز ، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية ، في تصميم المواد ذات الهياكل المصممة خصيصًا على المستوى المجهري. لم يكونوا في البداية يتطلعون إلى إنشاء مواد شبه دورية – في الواقع ، ركزت تجاربهم النظرية الأولى ، بقيادة طالب الدكتوراه في الرياضيات China Mauck ، على المواد الدورية وأنماط الجسيمات التي يمكن تحقيقها باستخدام الموجات فوق الصوتية أمواج. في كل مستوى من الأبعاد ، وجدوا أن زوجين من محولات طاقة الموجات فوق الصوتية المتوازية تكفي لترتيب الجسيمات في بنية دورية.

ولكن ماذا سيحدث إذا كان لديهم زوج آخر من المحولات؟ لمعرفة ذلك ، قدم رايميكرز وطالب الدراسات العليا ميلو بريسبري (الآن في مختبر لوس ألاموس الوطني) الأدوات التجريبية ، وقدمت أستاذة الرياضيات إيلينا تشيركاييف خبرة في النظرية الرياضية لأشباه البلورات. أجرى جيفارا وماوك حسابات نظرية للتنبؤ بالأنماط التي ستخلقها محولات طاقة الموجات فوق الصوتية.

خلق الأنماط شبه الدورية

يقول تشيركايف أن الأنماط شبه الدورية يمكن اعتبارها على أنها تستخدم أسلوب “القص والمشروع” بدلاً من أسلوب القص واللصق.

إذا كنت تستخدم القص والمشروع لتصميم أنماط شبه دورية على خط ، فإنك تبدأ بشبكة مربعة على مستوى. ثم تقوم برسم خط أو قصه بحيث يمر عبر عقدة شبكة واحدة فقط. يمكن القيام بذلك عن طريق رسم الخط بزاوية غير منطقية ، باستخدام رقم غير نسبي مثل pi ، وهي سلسلة لا نهائية من الأرقام التي لا تتكرر أبدًا. بعد ذلك ، يمكنك عرض أقرب عقد شبكة على الخط ويمكنك التأكد من أن أنماط المسافات بين النقاط على الخط لا تتكرر أبدًا. هم شبه دوري.

النهج مشابه في مستوى ثنائي الأبعاد. يقول تشيركايف: “نبدأ بشبكة أو وظيفة دورية في مساحة ذات أبعاد أعلى”. “لقد قطعنا طائرة عبر هذا الفضاء واتبعنا إجراءً مشابهًا لتقييد الوظيفة الدورية بشريحة ثنائية الأبعاد غير منطقية.” عند استخدام محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، كما في هذه الدراسة ، تولد المحولات إشارات دورية في ذلك الفضاء ذي الأبعاد الأعلى.

وضع الباحثون أربعة أزواج من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية في ترتيب مثمن لإشارة التوقف. يقول جيفارا: “كنا نعلم أن هذا سيكون أبسط إعداد حيث يمكننا إظهار ترتيبات الجسيمات شبه الدورية”. “كان لدينا أيضًا سيطرة محدودة على الإشارات التي يجب استخدامها لتشغيل محولات طاقة الموجات فوق الصوتية ؛ يمكننا بشكل أساسي استخدام الإشارة فقط أو سلبيها.”

في هذا الإعداد الثماني ، وضع الفريق جزيئات الكربون النانوية الصغيرة معلقة في الماء. بمجرد تشغيل المحولات ، فإن الموجات فوق الصوتية استرشد جزيئات الكربون في مكانه ، مما يخلق نمطًا شبه دوري يشبه تبليط بنروز.

يقول جيفارا: “بمجرد إجراء التجارب ، قمنا بمقارنة النتائج بالتنبؤات النظرية وتوصلنا إلى اتفاق جيد جدًا”.

مواد مخصصة

ستكون الخطوة التالية هي تصنيع مادة بترتيب نمط شبه دوري. يقول جيفارا إن هذا لن يكون صعبًا ، إذا تم تعليق الجسيمات في بوليمر بدلاً من الماء الذي يمكن معالجته أو تقويته بمجرد استقرار الجسيمات في موضعها.

يقول جيفارا: “بشكل حاسم ، باستخدام هذه الطريقة ، يمكننا إنشاء مواد شبه دورية إما ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد ويمكن أن تحتوي بشكل أساسي على أي من التناظرات شبه الدورية الشائعة عن طريق اختيار كيفية ترتيب محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وكيفية قيادتها لها”. .

لم يتضح بعد ما قد تكون هذه المواد قادرة على فعله ، ولكن قد يكون أحد التطبيقات النهائية هو إنشاء مواد يمكنها التعامل مع الموجات الكهرومغناطيسية مثل تلك التي تستخدمها تقنية الجيل الخامس الخلوية اليوم. تشمل التطبيقات الأخرى المعروفة بالفعل للمواد شبه الدورية الطلاءات غير اللاصقة ، نظرًا لانخفاض معامل الاحتكاك ، والطلاءات العازلة ضد انتقال الحرارة ، كما يقول تشيركاييف.

مثال آخر هو تصلب الفولاذ المقاوم للصدأ عن طريق تضمين جزيئات صغيرة شبه بلورية. ال بيان صحفي لجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011 يذكر أن البلورات شبه البلورية يمكن أن “تعزز المواد مثل الدروع.”

لذلك ، يقول الباحثون ، يمكننا أن نأمل في العديد من التطبيقات الجديدة والمثيرة لهذه الهياكل شبه الدورية الجديدة التي تم إنشاؤها بواسطة تجميع جزيئات الموجات فوق الصوتية.