Separation of bi-dispersed microspheres in dusty plasma ratchet experiments
تثبت هذه الورقة تجريبياً وتتحقق عددياً من الفصل الفعال للجسيمات المجهرية ثنائية التشتت في نظام "راشيت" بلازما غبارية ذات اقتران قوي وتخميد ناقص، وذلك عبر استغلال مواضع التوازن المعتمدة على الارتفاع التي تُخضع الجسيمات ذات الأحجام المختلفة لجهود "راشيت" متباينة، مما يتيح نقلها الاتجاهي بسرعات متفاوتة أو حتى متضادة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم البلازما الهادئ وغير المرئي، وهي حالة من حالات المادة تُسمى غالباً الحالة الرابعة للكون، تتصرف الجسيمات الدقيقة بطرق تتحدى حدسنا اليومي. البلازما هي غاز ساخن مشحون كهربائياً يوجد في النجوم والبرق، ولكن يمكن للعلماء أيضاً إنتاجها في المختبرات باستخدام غازات بسيطة مثل الأرجون. عندما يُدخل الباحثون كرات صلبة مجهرية، تُسمى غالباً "الغبار"، في هذا الغاز المتوهج، يحدث أمر مذهل؛ حيث يقوم الغاز بنزع الإلكترونات من الكرات، مما يمنحها شحنة سالبة قوية. ولأن هذه الكرات المشحونة تتنافر مع بعضها البعض بقوة شديدة، فإنها تترابط معاً في بنية صلبة تشبه البلورات، حتى وهي تطفو في الغاز. وهذا يخلق بيئة فريدة تُعرف باسم "البلازما الغبارية"، حيث تكون الجسيمات "مقترنة بقوة" وتتحرك بأقل قدر من الاحتكاك، وهي حالة يصفها الفيزيائيون بأنها "تحت مخمدة". إن فهم كيفية تحريك وفرز هذه الذرات المشحونة الصغيرة ليس مجرد تمرين نظري؛ بل يوفر لمحة عن كيفية التحكم في المادة على مقي scale مجهري دون لمسها، وهي قدرة قد تساعد يوماً ما في فرز المواد أو تنظيف العمليات الصناعية.
لقد أظهر فريق من الباحثين في الصين الآن طريقة لفرز هذه الجسيمات المجهرية باستخدام جهاز ذكي يسمونه "مضخة البلازما التدرجية" (plasma ratchet). تخيل مساراً دائرياً ذا نمط مسنن يشبه أسنان المنشار، ولكن بدلاً من المسار المادي، يتشكل المسار من المجالات الكهربائية للبلازما نفسها. وضع الباحثون حجمين من الكرات المجهرية البلاستيكية، أحدهما بنصف قطر 8 ميكرومتر والآخر 14 ميكرومتر، داخل هذا القناة المسننة الدائرية. ومن خلال ضبط طاقة مصدر التردد اللاسلكي الذي ينشئ البلازما وضغط غاز الأرجون بعناية، وجدوا أن بإمكانهم جعل حجمي الجسيمات يتحركان بطرق مختلفة تماماً. ففي بعض الظروف، كانت الجسيمات الأصغر تتسابق في اتجاه واحد بينما تتحرك الجسيمات الأكبر في الاتجاه المعاكس تماماً. وفي ظروف أخرى، تحرك كلاهما في نفس الاتجاه، لكن الأصغر منها انطلقت بسرعة بينما تأخرت الأكبر بكثير. وقد سمح هذا للفريق بفرز حجمي الجسيمات بنجاح، وهو إنجاز كان من الصعب تحقيقه في الأنظمة الأخرى القائمة على السوائل.
يكمن سر هذا الفصل في الارتفاع الذي تطفو عليه الجسيمات. فداخل البلازما، لا يكون المجال الكهربائي منتظماً؛ إذ يتغير اعتماداً على موقعك داخل القناة المسننة. وجد الباحثون أن الجسيمات الأصغر والجسيمات الأكبر تستقر على ارتفاعات مختلفة قليلاً فوق قاع القناة. ولأنها في ارتفاعات مختلفة، فإنها تتعرض لمناظر طبيعية كهربائية مختلفة. استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية لرسم خرائط لهذه المجالات غير المرئية واكتشفوا أن شكل الجهد الكهربائي عند ارتفاع الجسيمات الصغيرة هو الصورة المرآتية لشكل الجهد عند ارتفاع الجسيمات الكبيرة. الأمر كما لو أن الجسيمات الصغيرة تسير صعوداً في تلة بينما تسير الجسيمات الكبيرة نزولاً منها. هذا الاختلاف في "ميل" المجال الكهربائي خلق قوة دفعت المجموعتين في اتجاهات متعاكسة. وعندما قام الباحثون بتغيير الطاقة أو ضغط الغاز، تغيرت ارتفاعات الطفو، مما أدى بدوره إلى تغيير شكل المشهد الكهربائي الذي تختبره الجسيمات، مما سمح للعلماء بتغيير اتجاه التدفق أو سرعة الجسيمات حسب الرغبة.
أكد الفريق هذه النتائج من خلال سلسلة من التجارب حيث قاموا بتصوير حركة الجسيمات بمعدل 50 إطاراً في الثانية. وراقبوا أنه من خلال ضبط ضغط الغاز بين 15 و40 باسكال والطاقة بين أقل من 10 و40 واط، يمكنهم التحكم في النتيجة بدقة. في إعداد محدد، مع غاز عند 25 باسكال وطاقة عند 20 واط، تحرك حجم الجسيمات في اتجاهات متعاكسة، مما أدى إلى انفصال واضح بينهما. وفي إعدادات أخرى، تحركا في نفس الاتجاه ولكن بسرعات متفاوتة للغاية، حيث كانت الجسيمات الأصغر أسرع بحوالي ثلاث مرات من الجسيمات الأكبر. وأشار الباحثون إلى أن هذه الطريقة تعمل بشكل أفضل عندما يكون فرق الحجم بين الجسيمات 2 ميكرومتر على الأقل؛ فإذا كانت الجسيمات متشابهة جداً في الحجم، فإن أثر الجسيمات العلوية يتداخل مع الجسيمات السفلية، مما يجعل عملية الفصل أقل كفاءة. تحركت الجسيمات بسرعات تصل إلى 1 سنتيمتر في الثانية، وهو أمر سريع جداً لشيء بهذا الصغر في الغاز.
يشير هذا العمل إلى طريقة جديدة وفعالة لفرز الجسيمات المجهرية دون اتصال مادي، بالاعتماد بدلاً من ذلك على الفيزياء الطبيعية لكيفية طفو الجسيمات المشحونة في البلازما. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال فهم العلاقة بين حجم الجسيمات، وارتفاع الطفو، وشكل المجال الكهربائي، يمكنهم تصميم نظام يفرز المادة بناءً على حجمها. وبينما أجريت التجارب الحالية في ترتيب دائري، فإن المبادئ التي كشفوا عنها يمكن تطبيقها على قنوات مستقيمة ذات مخارج لجمع الأحجام المختلفة من الجسيمات، مما قد يؤدي إلى أجهزة جديدة لفصل المواد. تسلط الدراسة الضوء على أنه حتى في الغاز المتوهج والفوضوي، يمكن فرض النظام على الجسيمات الصغيرة، وتوجيهها إلى وجهاتها بدقة الآلة المصممة جيداً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.