Real Time Web Analytics نیروهای جاذبه‌ کریستال : رازی که برای اولین بار، اندازه‌گیری شد! | دیپ لوک

نیروهای جاذبه‌ کریستال : رازی که برای اولین بار، اندازه‌گیری شد!

0

از نیروهای جاذبه‌ی کریستال که جزو بنیادی‌ترین نیروهای تشکیل جهان هستند، چه می‌دانید؟ دانشمندان برای اولین بار در پژوهشی توانستند نیروهای جاذبه‌ کریستال را اندازه‌گیری کنند. در این مقاله، شما را به عمق جهان هستی، یعنی جایی که نیروهای جاذبه‌ کریستال ، جهان را شکل می‌دهند می‌بریم. نتایج این پژوهش، دو هفته پیش در مجله Science منتشر شد. با دیپ‌ لوک همراه باشید…

کریستال و نیروی نهفته در آن

کریستال‌ها جزو شگفت انگیزترین ساختارهای طبیعت هستند، نه تنها به خاطر ساختار شبکه ای یکتا، بسیار منظم و تکرار شونده‌‌شان، بلکه به این جهت که ویژگی‌های ذاتی جالبی مانند توانایی خودآرایی دارند؛ رازی که در نیروهای جاذبه‌ کریستال نهفته است. زمانی که یکی از آن‌ها در کنار دیگری قرار می‌گیرد، کریستالهای کوچک به هم می پیچند، دور هم می‌چرخند و برای تشکیل کریستال بزرگتر، محکم به هم برخورد می‌کنند. دانشمندان برای اولین بار، نیروهای جاذبه‌ کریستال که چنین امکانی را بوجود می‌آورند اندازه‌گیری و تصویرسازی کرده‌اند.

محققان با استفاده از یک تکنیک جدید مصورسازی نشان دادند نیروی درون کریستال، نوعی نیروی واندروالس است. نیروی واندروالس، یک نیروی جاذبه‌ای کوانتومی است که منجر به تشکیل پیوند شیمیایی نمی‌شود، در واقع این نیرو، پایدار نبوده و به صورت لحظه‌ای عمل می‌کند. نیروی واندروالس مانند نیرویی است که به مارمولک امکان چسبیدن به دیوار و آویزان شدن از آن­ را می‌­دهد و اکنون دانشمندان نشان داده­‌اند که این نیرو باعث درهم­‌پیچیدگی و آمیختن کریستال به یکدیگر می‌­شود. از طرفی این نیرو، بزرگترشدن کریستال را امکان‌پذیر می‌کند.

اگر چه ساختارهای کریستالی به شکل‌های مختلفی مانند مکعب‌­ ساخته‌ شده‌اند، اما این کریستال‌ها، جداره­‌هایی با شکل‌های متفاوت دارند، بطوریکه بعضی از آن‌ها با یکدیگر تطابق دارند و بعضی دیگر ندارند. وقتی جداره‌­ها با یکدیگر مطابقت داشته باشند، کریستال­‌ها می‌توانند یکپارچه شده و با یکدیگر آمیخته شوند. مدت زیادی است که دانشمندان معتقدند کریستال­‌ها می‌توانند برای سهولت درآمیختن با یکدیگر، خودآرایی کنند، اما تاکنون هیچ­کس نتوانسته بود این پدیده را تصویرسازی یا اندازه‌­گیری کند؛ چرا که تاکنون امکان اندازه‌گیری نیروهای جاذبه‌ کریستال وجود نداشت.

آگاهی از چگونگی درهم آمیختن کریستال‌­ها با یکدیگر، بسیار مهم است، زیرا نیروهای جاذبه‌ کریستال ، نیروهای کلیدی طبیعت برای تشکیل هرچیزی از صخره­‌ها و صدف‌های دریایی تا استخوان­‌های بدن ما هستند. از طرفی این نیرو برای دانشمندانی که به دنبال طراحی کریستال­‌ها و مواد جدید هستند، حیاتی است. محقق ارشد این پژوهش، کِوین روسو از دپارتمان انرژی ایالات متحده می­‌گوید:

شناخت نیرو خود، انگیزه است، به این معنا که با اندازه­‌گیری­‌هایی از این نوع می‌توان یک مدل سه‌­بعدی برای چسبیدن ذرات به یکدیگر به طریق مشخصی مانند آجرهای لگو ساخت. کریستال­‌ها در طبیعت، به وفور یافت می‌شوند و این پژوهش به ما کمک می‌­کند تا هنگام طراحی­ مواد جدید از مزایای آن بهره­‌مند شویم.

چگونه راز پنهان در کریستال کشف شد

محققان برای مطالعه نیرویی که کریستال‌­ها را کنار هم مرتب می­‌کند، یک میکروسکوپ انتقال محیطی الکترون(ETEM) را با تکنولوژی­ پروب نیروی نانوکریستال ترکیب کردند که به آنها اجازه می‌دهد برهمکنش‌های کریستال را در لحظه، مشاهده و دستکاری کنند. آنها با استفاده از این تجهیزات، دو کریستال تیتانیوم‌­ اکساید را که هزار مرتبه از موی انسان باریک­تر است، کنار یکدیگر قرار داده، در زاویه‌­های متفاوتی با یکدیگر ترکیب نمودند و ترکیب آنها با یکدیگر را زیر میکروسکوپ مشاهده کردند. دانشمندان مشاهدات خود را با چیزی که هنگام نزدیک کردن دو  آهن­ربا و حرکت دادن به سمت یکدیگر در مقیاس بسیار بسیار کوچکتر می‌­دیدند، مقایسه کردند. وقتی آهن­رباها به اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک باشند که نیروی جاذبه بر نیروی دافعه غلبه داشته باشد، به یکدیگر می‌­چسبند.

محققان همچنین سعی کردند کریستال­‌ها را در دو حالت درهم‌پیچیده و درهم نپیچیده به یکدیگر مطالعه کردند تا نیرویی که به یکدیگر وارد می‌­کنند، اندازه بگیرند. این اندازه­‌گیری‌­ها به محققان امکان داد تا برای اولین بار، نیرویی که کریستال‌­ها را به هم قفل می­‌کند، مشخص کنند: این نیرو به اندازه نیروهای واندروالس، کوچک بود. نیروهای واندروالس، ضعیف­‌ترین نیروها در میان نیروهای فیزیکی-شیمیایی هستند و نتیجه‌ی جاذبه‌­های مکانیک کوانتومی بین ذره‌­ها، افزون بر جاذبه‌ی معمول الکتریکی-شیمیایی بین ذرات مثبت و منفی هستند. علی­‌رغم اینکه این نیروها بر اساس نیروهای عجیب مکانیک کوانتومی، عمل می‌کنند، اما بسیار خوب مطالعه شده‌اند. این کشف جدید، درواقع برای اولین بار، یکی از پیش­‌بینی‌هایی که به دهه ۱۹۷۰ برمی‌­گردد را تایید می‌کند: نیروی جاذبه به چگونگی چرخش کریستال­‌ها نسبت به یکدیگر بستگی دارد ( چرخاندن نان باگتی را برای درست کردن یک قرص نان تصور کنید). روسو می‌گوید:

این اولین بار است که وابستگی نیرو به چگونگی چرخش کریستال­‌ها نسبت به یکدیگر، اثبات و تایید می‌شود، چیزی که ما آن را وابستگی چرخشی می‌­نامیم. وابستگی چرخشی نیروها نشان می‌دهد این نیرو در آرایش کریستال­‌های آزاد نقش دارد.

حالا محققان می‌خواهند نیرویی را بررسی کنند که این کریستال­‌های اکسید تیتانیوم را به سمت یکدیگر می‌­کشد و به آنها اجازه می‌دهد نیروهای جاذبه را در کریستال­‌هایی را که از مواد مختلف تشکیل شده، پیش­‌بینی کنند. نتایج این پژوهش همچنین در ساخت مواد جدید بر پایه‌­ی کریستال، به محققان کمک خواهد کرد.

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

Download (PDF, Unknown)

لیسانس الکترونیک دارم و مشغول به تحصیل در مقطع فوق لیسانس در رشته نانوالکترونیک هستم. علاقمند به کوانتوم و کیهان شناسی- کوچکترین و بزرگترین دنیای فیزیک- هستم.

ارسال نظر

*