طور العلماء طريقة مبتكرة لدراسة تحول السوائل تحت الضغط السلبي عن طريق تغليفها بالألياف الضوئية. وتوفر هذه التقنية طريقة أبسط لقياس الضغط باستخدام الموجات الضوئية والصوتية، مما يمهد الطريق لاكتشافات جديدة في الديناميكا الحرارية والتفاعلات الكيميائية. ككمية فيزيائية، الضغط موجود في مجالات مختلفة: الضغط الجوي في الأرصاد الجوية، وضغط الدم في الطب، وحتى أواني الضغط والأطعمة محكمة الغلق في الحياة اليومية.
انطباع فني لشعيرية زجاجية مملوءة بالسائل. ومن خلال تغليف السوائل في الألياف الضوئية، لاحظ العلماء وقاسوا تأثير الضغط السلبي باستخدام الموجات الصوتية كأجهزة استشعار. مصدر الصورة: © LongHuyDao
يتم تعريف الضغط على أنه القوة لكل وحدة مساحة عمودية على سطح مادة صلبة أو سائلة أو غازية. اعتمادا على اتجاه القوة في نظام مغلق، في الحالات القصوى، يمكن أن تؤدي الضغوط العالية للغاية إلى تفاعلات انفجارية، في حين أن الضغوط المنخفضة للغاية في نظام مغلق يمكن أن تتسبب في انهيار النظام نفسه.
يشير الضغط الزائد دائمًا إلى غاز أو سائل يضغط على جدران الحاوية من الداخل، مثل البالون الذي يتوسع عند إضافة المزيد من الهواء. بغض النظر عن الضغط المرتفع أو الضغط المنخفض، في الظروف العادية، تكون القيمة العددية للضغط موجبة دائمًا.
ومع ذلك، فإن السوائل لها خاصية خاصة. يمكن أن توجد في حالة متغيرة محددة تتوافق مع قيمة الضغط السلبي. في هذه الحالة المتغيرة، حتى التأثيرات الخارجية الصغيرة يمكن أن تتسبب في انهيار النظام إلى حالة أو أخرى. فكر في الأمر كما لو كنت تجلس على قمة قطار الملاهي: لمسة خفيفة على جانب أو آخر ستؤدي إلى سقوطك خارج المسار.
وفي الدراسة الحالية، يدرس العلماء تحول السوائل تحت الضغط السلبي. ولتحقيق هذه الغاية، قام فريق البحث بدمج تقنيتين فريدتين لقياس الحالات الديناميكية الحرارية المختلفة في دراسة نشرت في مجلة Nature Physics.
أولاً، يتم تغليف كميات صغيرة (نانولتر) من السائل في ألياف ضوئية مغلقة تمامًا، مما يسمح لها بالحصول على ضغوط إيجابية وسلبية عالية. وبعد ذلك، ومن خلال التفاعل الخاص للموجات الضوئية والصوتية في السائل، يمكن قياس تأثيرات الضغط ودرجة الحرارة في الحالات المختلفة للسائل بحساسية. تعمل الموجات الصوتية كأجهزة استشعار تكتشف قيم الضغط السلبي، وتستكشف هذه الحالة الفريدة للمادة بدقة عالية ودقة مكانية مفصلة.
(من اليسار إلى اليمين) رئيسة فريق البحث بيرجيت ستيلر مع أندرياس جيلين وألكسندرا بوب في المختبر. مصدر الصورة: ©FlorianRitter,MPL
آثار الضغط السلبي وتقنيات القياس
ويمكن تصور تأثير الضغط السلبي على السائل على النحو التالي: وفقا لقوانين الديناميكا الحرارية، فإن حجم السائل سوف ينخفض، ولكن السائل سوف يتأثر بقوة الالتصاق في الشعيرات الدموية المصنوعة من الألياف الزجاجية، تماما مثل قطرات الماء الملتصقة بأصابعك. وهذا يتسبب في "تمدد" السائل. يتم سحب السائل بعيدًا، مثل شريط مطاطي يتم شده.
غالبًا ما يتطلب قياس هذه الحالة الغريبة معدات متطورة واحتياطات أمان مشددة. يعد الضغط المرتفع عملاً خطيرًا، خاصة مع السوائل السامة. ويعد ثاني كبريتيد الكربون الذي استخدمه الباحثون في هذه الدراسة أحد هذه السوائل. وبسبب هذا التعقيد، كانت أجهزة القياس السابقة المستخدمة لتوليد وتحديد الضغط السلبي تتطلب مساحة كبيرة من مساحة المختبر، بل وتسببت في حدوث اضطرابات للأنظمة في حالة مستقرة.
باستخدام الطريقة الموضحة في هذه المقالة، طور الباحثون جهازًا صغيرًا وبسيطًا يمكنه إجراء قياسات دقيقة جدًا للضغط باستخدام الموجات الضوئية والصوتية. والألياف الضوئية المستخدمة لهذا الغرض لا تتجاوز سماكتها سمك شعرة الإنسان.
تعليقات الباحثين
قالت الدكتورة بيرجيت ستيلر، رئيسة مجموعة أبحاث الصوتيات الضوئية الكمومية في MPL: "عندما يتم دمج طرق القياس الجديدة مع منصات جديدة، فإن بعض الظواهر التي يصعب استكشافها باستخدام الطرق الشائعة والراسخة تصبح متاحة بشكل مدهش. أجد هذا مثيرًا للغاية". استخدم فريق البحث موجات صوتية يمكن أن تكون حساسة للغاية لاكتشاف التغيرات في درجة الحرارة والضغط والضغط على طول الألياف الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء قياسات تم حلها مكانيًا، مما يعني أن الموجات الصوتية يمكن أن توفر صورة لما يحدث داخل الألياف بدقة مستوى السنتيمتر على طولها.
قالت ألكسندرا بوب، أحد المؤلفين الرئيسيين للمقال: "تسمح لنا طريقتنا باكتساب فهم أعمق للتبعيات الديناميكية الحرارية لنظام الألياف الضوئية الفريد هذا".
وأضاف مؤلف رئيسي آخر، أندرياس جيلين: "كشفت القياسات عن بعض التأثيرات المدهشة. تصبح ملاحظات حالة الضغط السلبي واضحة للغاية عند النظر إلى تردد الموجات الصوتية".
التطبيقات المحتملة والملاحظات الختامية
يمكن أن يؤدي الجمع بين القياسات الصوتية الضوئية والألياف الشعرية المغلقة بإحكام إلى اكتشافات جديدة في مراقبة المواد التي يصعب دراستها والتفاعلات الكيميائية للسوائل السامة في المفاعلات الدقيقة. يمكن أن تخترق مناطق جديدة والتي يتعذر الوصول إليها في الديناميكا الحرارية.
يؤكد البروفيسور ماركوس شميدت من IPHT جينا والدكتور ماريو شيمنيتز، من IPHT جينا أيضًا: "هذه المنصة الجديدة من الألياف السائلة الأساسية المغلقة بالكامل تسمح بالوصول إلى الضغوط العالية والبيئات الديناميكية الحرارية الأخرى. من المفيد جدًا دراسة أو حتى تخصيص الظواهر البصرية غير الخطية في هذه الألياف."
يمكن لهذه الظواهر أن تطلق العنان لخصائص جديدة محتملة لم يتم استكشافها من قبل في الحالة الديناميكية الحرارية الفريدة للمادة.
تختتم بيرجيت ستيلر قائلة: "تتعاون مجموعاتنا البحثية في إرلانجن وجينا بشكل فريد في خبراتهم الخاصة للحصول على رؤى جديدة حول العمليات والحالات الديناميكية الحرارية على منصة بصرية صغيرة وسهلة التشغيل."