Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

في عالم ديناميكا السوائل المجهري، حيث تتدفق السوائل عبر قنوات أدق من شعرة الإنسان، تتغير قواعد الحركة المعتادة. في هذه المساحات الضئيلة، تتحرك المياه والسوائل الأخرى ببطء شديد لدرجة أنها تتصرف مثل العسل الكثيف بدلاً من الأنهار الجارية؛ حيث تهيمن قوة الاحتكاك، أو اللزوجة، تماماً على قوة القصور الذاتي التي تجعل الكرة المقذوفة تستمر في الحركة بعد أن تترك يدك. في ظل هذه الظروف، إذا حاولت خلط تيارين مختلفين من السائل جنباً إلى جنب، فإنهما لن يمتزجا معاً بشكل طبيعي. بدلاً من ذلك، سينزلقان فوق بعضهما البعض مثل الزيت والماء، ويظلان منفصلين تماماً لمسافات طويلة ما لم يقم شيء ما بتحريكهما بنشاط. لطالما سعى العلماء لإيجاد طرق لخلط هذه التيارات المتناهية الصغر دون استخدام أجزاء ميكانيكية يمكن أن تنكسر أو تنسد، متوجهين بدلاً من ذلك نحو الكهرباء. ومن خلال تطبيق مجال كهربائي على سائل يحتوي على أملاح مذابة، يمكن للباحثين دفع السائل، وهي عملية تُعرف باسم "الإلكتروكينيتيكا" (الحركة الكهربائية). ومع ذلك، تعتمد هذه التقنية عادةً على خصائص جدران القناة أو سطح السائل. ولكن يحدث تأثير أكثر دقة وقوة عندما لا يكون السائل نفسه متجانساً، وتحديداً عندما تتغير قدرته على توصيل الكهرباء من نقطة إلى أخرى.

استكشف باحثون من جامعة ولاية فلوريدا مؤخراً ما يحدث عندما يتم وضع سدادة من سائل ضعيف التوصيل بين منطقتين من سائل عالي التوصيل داخل مسام مجهري منحني. لقد بنوا نموذجاً حاسوبياً لمسام مجهري على شكل ساعة رملية ضيقة، مكون من أربعة أسطح صلبة دائرية تخلق تضيقات شديدة عند الطرفين ومساحة واسعة مفتوحة في المنتصف. وفي هذا المسام، أدخلوا سدادة من سائل منخفض التوصيل ودفعوها عبر تدفق مستمر مع تطبيق مجال كهربائي تيار مستمر على طول القناة. كان الهدف هو معرفة كيف سيتفاعل عدم التطابق في التوصيل الكهربائي مع المجال الكهربائي لتعطيل التدفق. ولأن السائل في المنتصف يوصل الكهرباء بشكل ضعيف، فإن المجال الكهربائي يتكثف طبيعياً داخل تلك المنطقة للحفاظ على استمرار التيار، تماماً كما تسرع المياه عند إجبارها على المرور عبر أنبوب ضيق. هذا التركيز للمجال الكهربائي، مقترناً بالحد الفاصل الحاد بين السوائل المختلفة، يخلق تراكماً صغيراً ولكن مهماً للشحنة الكهربائية داخل كتلة السائل. هذه الشحنة تشعر بدفعة من المجال الكهربائي، مما يولد قوة يمكنها تحريك السائل من الداخل إلى الخارج.

أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الدفعة الكهربائية قوية بما يكفي لإحداث اضطراب دراماتيكي ومؤقت في التدفق، رغم أن السائل يتحرك ببطء شدم يجعل القصور الذاتي بلا دور. فعندما تم ضبط قوة المجال الكهربائي عند 20,000 فولت لكل متر، ارتفعت سرعة السائل عند مركز المسام إلى أكثر من ضعف سرعة التدفق القادم. لم تكن هذه الطفرة حالة مستقرة بل حدثاً عابراً؛ حيث ارتفعت سرعة السائل بسرعة، ووصلت إلى ذروتها، ثم استقرت مرة أخرى مع تحرك سدادة السائل عبر المسام وتلاشي الحدود الحادة بين السوائل المختلفة نتيجة الانتشار الطبيعي. لاحظ الباحثون أن السائل لم يسرع في خط مستقيم فحسب، بل طور أيضاً حركة دوامية معقدة تتحرك من جانب إلى آخر. هذه الحركة المستعرضة تغيرت اتجاهاتها عدة مرات، حيث دفعت السائل في اتجاه أولاً، ثم انعكست لتدفعه في الاتجاه الآخر، قبل أن تتلاشى في النهاية مع اختفاء الاختلافات في التوصيل. لم يكن هذا التحرك ذهاباً وإياباً ناتجاً عن زخم السائل، بل كان بسبب انتقال موقع القوى الكهربائية مع تحرك وتشوه حدود التوصيل داخل الهندسة المنحنية للمسام.

أظهرت الدراسة أن قوة المجال الكهربائي تعمل كتحكم رئيسي لمدى شدة هذا الاضطراب. فعندما رفع الباحثون المجال الكهربائي من صفر إلى 30,000 فولت لكل متر، زادت السرعة القصوى للسائل عند مركز المسام بشكل مطرد، مرتفعة من خط أساس يبلغ حوالي 1.4 ضعف سرعة التدفق إلى ما يقرب من 2.7 ضعفها. ومع ذلك، ظل توقيت هذه الأحداث ثابتاً بشكل ملحوظ؛ فبغض النظر عن قوة المجال الكهربائي، وصل السائل إلى سرعته القصوى وأجرى انعكاساته الاتجاهية في نفس اللحظات الزمنية تقريباً. يشير هذا إلى أنه بينما يحدد المجال الكهربائي مدى قوة دفع السائل، فإن سرعة حركة السائل عبر المسام ومعدل اختلاط السوائل المختلفة طبيعياً هما ما يحددان جدول الاضطراب الزمني. المجال الكهربائي يضخم التأثير، لكن نقل السائل نفسه هو ما يتحكم في الإيقاع.

ومع اختلاط السوائل المختلفة وتلاشي الحدود الحادة بينها، ضعفت القوى الكهربائية التي حركت الحركة الدوامية وتلاشت في النهاية. تتبع الباحثون هذه العملية من خلال قياس مدى جودة اختلاط السائلين ومراقبة التيار الكهربائي المتدفق خارج المسام. ووجدوا أن المجالات الكهربائية الأقوى تؤدي إلى خلط أسرع وأكثر اكتمالاً، حيث تصبح السوائل شبه موحدة في أقوى المجالات. أظهر التيار الكهربائي الخارج من المسام نمطاً مميزاً: فقد قفز بسرعة في البداية، ثم انخفض قليلاً أثناء مرور السدادة منخفضة التوصيل عبر الجزء الأضيق من المسام، ثم تعافى ببطء ليصل إلى مستوى ثابت. وفر هذا الانخفاض والتعافي بصمة كهربائية واضحة لرحلة السدادة عبر التضييق. تؤكد النتائج أن تدرجات التوصيل يمكن أن تولد تدفقات ثانوية عابرة وهامة في المسام المجهرية المنحنية، مما يخلق آلية خلط قوية تعتمد كلياً على التفاعل بين المجال الكهربائي والخصائص الكهربائية للسائل نفسه. وهذا يشير إلى أنه من خلال التصميم الدقيق لشكل القنوات المجهرية والتحكم في الخصائص الكهربائية للسوائل، يمكن إنشاء خلاطات عالية الكفاءة للتطبيقات الكيميائية والبيولوجية دون الحاجة إلى أي أجزاء متحركة.