فیزیکدانان مؤسسه‌ی پلانک اشتوتگارد آلمان نیروی بحرانی کازیمیر  (Te Critical Casimir Force) را مشاهده و برای خنثی کردن ثبات نانومکانیکی استفاده کردند.

بنا به گزارش «ساینس دیلی» وقتی آن را در مورد یک ماشین متراکم‌کننده به‌کار ببریم، خطای فیزیکی یا مهندسی مرتکب شده‌ایم. این مسأله حداقل برای اولین نمونه‌ی نانومکانیک صادق است که با اثر کازیمیر کند‌تر می‌شوند.

این نیرو فقط در مقیاس‌های چند میلیونیم سانتی‌متر کار می‌کند و باعث می‌شود بخش‌های مختلف یک ماشین کوچک به‌هم به‌چسبند.

دانشمندان بخش تحقیقات مواد در مؤسسه‌ی ماکس پلانک و دانشگاه اشتوتگارت اکنون نیروی مشابهی را در ترکیب دو مایع مشاهده کرده‌اند. هم‌چنین راهی یافته‌اند که اثر نیرو را وارونه می‌کند تا از انسداد در نانومکانیک جلوگیری نماید.

همین امر امکان مینیاتوری کردن ماشین‌ها را حتی بیش‌تر کرده امکان تولید سوییچ‌ها یا حسگرهای نانو مقیاس را فراهم می‌نماید.

هیچ چیز از هیچ چیز می‌آید!! فقط در فیزیک این اصل درست نیست. برای مثال دو صفحه‌ی فلزی که حدود نیم‌میکرومتر از هم فاصله دارند، در محیط خلأ و دمای صفر مطلق قرار گرفته‌اند. در این شرایط جاذبه‌ی اسرار آمیزی به‌هم وارد می‌کنند.

نیرویی که این دو صفحه را به‌هم نزدیک می‌کند، از نوسان‌های کوانتمی خلأ و بنابراین از هیچ چیز! است.

این نوسان‌ها تغییرهایی را در امواج الکترومغناطیسی موجب می‌شود.

این امر نیازمند گره‌ای بر سطح دو صفحه‌ی رسانای الکتریکی است که به‌وضوح تعداد امواج بین صفحه‌ها را کاهش می‌دهد.

بیرون از صفحه‌ها بدون هیچ محدودیتی این امواج پخش می‌شوند.

«هنریک کازیمیر» (Henrik Casimir) این نظریه را در سال 1327 (1948 میلادی) پیش‌بینی کرده بود. امروزه این اثر توجیه مؤلفه‌های نانومکانیکی هستند که به‌هم می‌چسبند.

«کلمنز بچینگر» استاد دانشگاه اشتوتگارت و بورسیه‌ی مؤسسه‌ی پلانک، «کریستوفر هرتلاین» (Christopher Hertlein) و دیگر اعضای این گروه تحقیقاتی در آزمایش‌های ترکیب آب و مایع روغنی «لوتیدین» (Lutidine) نیرویی مشابه کازیمیر را مشاهده‌کردند (نیروی کازیمیر بحرانی).

«بچینگر» می‌گوید: «این نیرو آن‌قدر ضعیف است که آشکارسازی آن بسیار مشکل خواهد بود».

نتایج هیچ‌گاه تا این اندازه در توافق با نظریه‌ای نبوده است که «زایگفرید دیتریچ» (Zeigfierd Dietrich) و تیم‌اش در همین مؤسسه پیش‌بینی کرده‌اند.

کلیه‌ی دانشمندان نتایج به‌دست‌ آمده را منتشر نموده‌اند.

«نیروی کازیمیر بحرانی» نام خود را از این واقعیت می‌گیرد که بسیار نزدیک به نقطه‌ی بحرانی است. در دماهای پایین محلول خالصی شکل می‌گیرد. بااین حال اگر محلول تا دمای 34درجه‌ی سلسیوس گرم شود دو ترکیب جداگانه خواهد داد؛ فیزیکدانان این دو فاز را در نظر می‌گیرند: یکی «آب در دمای بالا» و دیگری «همراه لوتیدین».

دمایی که چنین حالتی در آن شکل می‌گیرد، «دمای بحرانی» نامیده می‌شود. دو فاز مختلف ماده به‌‌طور ناگهانی در این «نقطه‌ی بحرانی» قرار می‌گیرند (مانند آب که به یخ تبدیل می‌شود).

وضعیتی که در آن مناطق دمای بحرانی به‌صورت ترکیبی از آب بیش‌تر یا روغن بیش‌تر شکل‌ می‌گیرد، معمول است. هر کدام بیش‌تر باشد به دمای بحرانی نزدیک‌تر است.

مقدار بزرگ‌تر این مناطق نوسانی رشد کرده و هر قدر طولانی‌تر باشد بی‌عیب‌تر و دست نخورده‌تر باقی می‌ماند.

«دیتریچ» می‌گوید: «روش انقباض آب و لوتیدین در بخش‌های مختلف ترکیب مشابه نوسان‌های کوانتومی در خلأ است. نوسان‌های حاصل از انقباض جاذبه‌ای را بین سطوح به مشابه نوسان‌های کوانتومی ایجاد ‌‌می‌کند.

اکنون محققان ثابت کرده‌اند که دقیقا دو حالت مذکور مشابه یکدیگر عمل می‌کنند».

«هارتلین» می‌افزاید: «کره‌ی پلاستیکی رابه قطر یک میکرومتر شناور در لیوانی از آب و لیتودین مشاهده کردیم. دمای محلول ابتدا کم‌تر از نقطه‌ی بحرانی است. پس از آن دما را به‌تدریج بالا بردیم. وقتی دما فقط 2/0 درجه مانده به نقطه‌ی بحرانی، کره‌ی پلاستیکی به‌سمت سطح لیوان حرکت می‌کند».

فیزیکدانان از میدان‌های ناپایداری استفاده می‌کنند که بتوانند فاصله‌ی کره تا سطح شیشه را با استفاده از انتشار آن در کره‌ی پلاستیکی به‌دست آورند.

آن‌ها نور را بهسمت لیوان با زاویه‌ی کمی تاباندند. بدین‌ترتیب نور کاملا منعکس می‌شود. فقط بخش کوچکی از نور در مایع نفوذ می‌نماید.

این‌که چه‌مقدار نور به کره‌ی پلاستیکی رسیده و چه مقدار منتشر می‌شود بستگی به فاصله‌ی کره و سطح لیوان دارد.

محققان با استفاده از فاصله‌ی کره موفق به محاسبه‌ی نیرویی شدند که این کار را انجام می‌دهد.

کار خلاقانه‌ای بود؛ کره‌ی کوچک بسیار سریع حرکت می‌کرد زیرا به‌طور ثابت با مولکول‌های گرم شده‌ی مایع در حال برخورد بود.

 نیروی کازیمیر بحرانی فقط به‌صورت اکوی آماری (Statistical Blips) به‌سمت سطح لیوان ظاهر می‌شود.

«کلمنز بچینگر» (Clemens Bechinger) می‌گوید:«ما فقط این اکوهای آماری را تشخیص می‌دهیم زیرا روش‌های اندازه‌گیری ما، چند هزار برابر بیش‌تر از حساس‌ترین «میکروسکوپ نیروی اتمی» (Atomic Force Microscopy) است. این بدان معناست که ما در گستره‌ی فمتونیوتن (^15- 10نیوتن) اندازه‌گیری‌های خود را انجام می‌دهیم».

میکروسکوپ نیروی اتمی، جاذبه‌ای را اندازه می‌گیرد که «سطح» بر «بازوی اندازه‌گیر» وارد می‌کند.

فیزیکدانان در اشتوتگارت اکنون با استفاده از روش اندازه‌گیری اُپتیکی تأکید دارند که نیروی کازیمیر در حدود 600 فمتونیوتن است که این مقدار کم‌تر از یک میلیونیم وزن یک دانه‌ی جوش‌شیرین است.

با این حال این نیرو، کره‌ی پلاستیکی را به‌سمت سطح هل می‌دهد. این اتفاق زمانی می‌افتد که لیوان و کره هر دو آب یا هر دو روغن باشند.

اگر دو سطح لایه‌نشانی شوند به‌طوریکه فقط یکی از دو سطح روغن را می‌پذیرد. نیروی کازیمیر بحرانی کره را ار سطح لیوان دور می‌کند.

این مناطق با مقدار زیادی آب بر روی یکی از سطوح و روغن بر سطح دیگر قرار خواهد گرفت.

تا هنگامی که انرژی لازم برای تماس بین آب و روغن برقرار شود، کره به عقب بر‌می‌گردد.

«دیتریچ» می‌گوید: «این اثری است که محاسبه‌های نظری آن را پیش‌بینی کرده‌اند».

محققان انتظار دارند که این اثبات تجربی باعث انسداد در ابعاد نانومتری شود. برای مثال این ماشین‌ها در ابعاد چند میلیونیم سانتی‌متر فقط می‌توانند یک روز به‌عنوان محرک در داروها فعال باشند.

این باعث می‌شود تا کنش‌های هجومی یا دارویی مستقیما به‌سمت بیماری منتقل شوند.

با این حال یکی از دلایلی که ماشین‌هایی از این دست تاکنون با شکست کار خود را انجام دادند به‌دلیل «نیروی کازیمیر نوسان‌های کوانتومی خلأ» است که آن‌ها را بی‌حرکت می‌کند.

«زایفرد دیتریچ» می‌گوید: «اگر این ماشین‌ها در خلأ کار نکند ولی در یک مایع ترکیبی نزدیک به نقطه‌ی بحرانی باشد ممکن است تغییر کند.».

پ س از آن بخش‌های مختلف ماشین را می‌توان لایه‌نشانی کرد به‌طوری که نیروی کازیمیر اثر رانشی داشته باشد؛ به‌همین دلیل ماشین به آرامی کار می‌کند.

این یکی از مواردی است که «گروه نظری دیتریچ» و «گروه تجربی بچینگر» در آینده به‌ آن خواهند پرداخت.