استخدم الموجات الصوتية لإنشاء أنماط لا تتكرر أبدًا

تعاون علماء الرياضيات والمهندسون من 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 “شبه بلورات” ذات خصائص مغناطيسية أو كهربائية مخصصة.

تم نشر البحث في خطابات الفحص البدني.

يوضح فرناندو جيفارا فاسكيز ، أستاذ الرياضيات المساعد ، أن “البلورات شبه مثيرة للاهتمام للدراسة لأن لها خصائص لا تمتلكها البلورات”. “لقد ثبت أنها أكثر صلابة من المواد الدورية أو المضطربة المماثلة. يمكنها أيضًا توصيل الكهرباء أو نشر الموجات بشكل مختلف عن البلورات.”

أنماط بدون نمط

تخيل رقعة شطرنج. يمكنك أن تأخذ مربعًا من اثنين في اثنين من البلاط الأسود واثنين من البلاط الأبيض (أو الأحمر) ونسخه ولصقه للحصول على رقعة الشطرنج بالكامل. مثل هذه الهياكل “الدورية” ، مع الأنماط التي 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 شعرية جزء من البلورة والعثور على تطابق في أي جزء آخر.

لكن الهيكل شبه الدوري مضلل. مثال على ذلك هو النموذج المسمى بلاط Penrose. للوهلة الأولى ، يبدو أن البلاط الهندسي الشكل له نمط منتظم. لكن لا يمكنك نسخ هذا القالب ولصقه. لن يحدث مرة اخرى.

حصل اكتشاف الهياكل شبه الدورية في سبائك معدنية معينة من قبل عالم المواد دان شيختمان على جائزة نوبل في الكيمياء في عام 2011 وبدأ دراسة شبه البلورات.

منذ عام 2012 ، تعاون جيفارا وبارت رايميكرز ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية ، في تصميم المواد ذات الهياكل المخصصة على النطاق المجهري. في البداية ، لم يسعوا إلى إنشاء مواد شبه دورية – في الواقع ، فإن تجاربهم النظرية المبكرة ، بقيادة طالب دكتوراه في الرياضيات China Mauck ، ركزت على المواد الدورية ونماذج الجسيمات التي درسها. سيكون من الممكن تحقيقها باستخدام الموجات فوق الصوتية أمواج. في كل مستوى من الأبعاد ، وجدوا أن زوجين من محولات الطاقة فوق الصوتية المتوازية كانت كافية لترتيب الجسيمات في بنية دورية.

ولكن ماذا لو كان لا يزال لديهم زوج من المحولات؟ لمعرفة ذلك ، قدم رايميكرز وطالب الدراسات العليا ميلو بريسبري (الآن في مختبر لوس ألاموس الوطني) الأدوات التجريبية ، وجربت معلمة الرياضيات إيلينا تشيركايف النظرية الرياضية لأشباه البلورات. أجرى جيفارا وماوك حسابات نظرية للتنبؤ بالأنماط التي ستنشئها محولات طاقة الموجات فوق الصوتية.

إنشاء نماذج شبه دورية

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

إذا كنت تستخدم الفصل والمسودة لتصميم أنماط شبه دورية على خط ما ، فإنك تبدأ بشبكة مربعة على مستوى. ثم تقوم برسم أو قص خط بحيث يعبر عقدة واحدة فقط من الشبكة. يمكن القيام بذلك عن طريق رسم الخط بزاوية غير منطقية ، باستخدام عدد غير نسبي مثل pi ، وهي سلسلة لا نهائية من الأرقام التي لا تتكرر أبدًا. بعد ذلك ، يمكنك عرض أقرب عقد شبكة على الخط والتأكد من عدم تكرار أنماط المسافة بين النقاط على الخط أبدًا. هم شبه دورية.

النهج مشابه في مستوى ثنائي الأبعاد. يوضح تشيركايف: “نبدأ بشبكة أو وظيفة دورية في مساحة ذات أبعاد أعلى”. “لقد قطعنا طائرة عبر هذا الفضاء واتبعنا إجراءً مشابهًا لقصر الوظيفة الدورية على شريحة ثنائية الأبعاد غير منطقية. عند استخدام محولات الطاقة فوق الصوتية ، كما في هذه الدراسة ، تولد المحولات إشارات دورية في هذه المساحة الكبيرة.

قام الباحثون بتركيب أربعة أزواج من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية بترتيب من إشارات التوقف المثمنة. يوضح 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 الطاقة فوق الصوتية ؛ يمكننا أساسًا استخدام الإشارة أو سلبيتها.”

في هذا التكوين الثماني ، وضع الفريق جزيئات كربونية نانوية صغيرة معلقة في الماء. بعد تشغيل محولات الطاقة ، فإن الموجات فوق الصوتية استرشد جزيئات الكربون في مكانه ، مما يؤدي إلى إنشاء نمط شبه دوري مشابه لبلاط Penrose.

يوضح جيفارا: “بمجرد إجراء التجارب ، قمنا بمقارنة النتائج بالتنبؤات النظرية وحصلنا على اتفاق جيد جدًا”.

مواد مخصصة

ستكون الخطوة التالية هي تصنيع مادة بترتيب نمط شبه دوري. لن يكون الأمر صعبًا ، كما يقول جيفارا ، إذا تم تعليق الجسيمات في بوليمر بدلاً من الماء الذي يمكن أن يصلب أو يتصلب بمجرد أن تصبح الجسيمات في مكانها.

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

ليس من الواضح بعد ما الذي يمكن أن تفعله هذه المواد ، ولكن يمكن أن يكون أحد التطبيقات الممكنة هو إنشاء مواد قادرة على معالجة 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 لنقل الحرارة ، كما يقول Cherkaev.

مثال آخر هو تصلب الفولاذ المقاوم للصدأ بالطلاء بجزيئات صغيرة شبه بلورية. ال بيان صحفي لجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011 يذكر أن البلورات شبه البلورية يمكن أن “تقوي مادة مثل الدروع.”

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