او در حال کار با مخلوطی از رنگ‌های خوراکی و آب بود و آنها را روی یک اسلاید فوق العاده تمیز قرار می‌داد. به نظر می‌رسید قطره‌ها در حال تنفس هستند! این قطرات روی اسلاید حرکت نیز داشتند. چندین قطره به حرکت در می‌آمدند و با برخورد به هم قطره‌های بزرگتر را تشکیل می‌دادند. حال پس از سه سال کار به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه استنفورد، او و همکارانش دلیل فیزیکی این اتفاقات عجیب را پیدا کرده‌اند. مکانیزم مربوط به این اتفاق می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا چگونگی حرکات و فعل و انفعالات پیچیده در مواد ساده را درک کنند.

برای فهم آنچه در داخل این قطرات رخ می‌دهد، Cira به همراه همکارانش Manu Prakash محقق زیست‌شناسی فیزیکی و Adrien Benusiglio دانشجوی دکتری، دانه‌های ردیاب بسیار کوچکی را در قطرات مخلوط آب و رنگ خوراکی قرار دادند تا بتوانند جریان مایع درون قطره را مشاهده کنند. سپس آنها آزمایش‌هایی انجام دادند تا نحوه‌ی بر هم کنش قطره‌هایی با غلظت های مختلف را با هم بررسی کنند. آنها یافته‌های خود را که می‌تواند رفتار پیچیده‌ی بسیاری از مخلوط‌های دو جزیی را توضیح دهد در مقاله‌ای در ژورنال Nature که در تاریخ ۱۱ مارچ ۲۰۱۵ به چاپ رسید توضیح دادند. 

یک قطره آب یا رنگ خوراکی بر روی یک سطح بسیار تمیز اسلاید تشکیل یک بخش مسطح می‌دهد و به بالا جمع نمی‌شود. با این حال قطره‌ی مخلوط آب و رنگ خوراکی روی این سطح تشکیل دانه‌های گرد می‌دهد. با تماشای حرکت ذرات ردیاب محققان دلیل این موضوع را یافتند. با تبخیر آب از سطح قطره این ذرات از مرکز قطره به لبه‌های آن حرکت می‌کردند و رنگ خوراکی که کمتر تبخیر می‌شود را پشت سر می‌گذاشتند.

سپس به دلیل بیشتر بودن کشش سطحی آب از رنگ خوراکی، آب غلیظ‌تر در مرکز قطره مایع و ذرات را به داخل می‌کشد. این جریان پیوسته که ناشی از فرآیند تبخیر و تفاوت در کشش سطحی دو مایع است، از پخش شدن قطره روی سطح جلوگیری می‌کند. (جریانی که از کشش سطحی کمتر به کشش سطحی بیشتر رخ می‌دهد اثر مارانگونی (Marangoni) نام دارد.) در این باره Prakash توضیح می‌دهد: «این حالت شبیه یک موتور در حالت استراحت است. در درون قطره جریان داخلی در حال رخ دادن است اما در ظاهر قطره کاملاً متقارن است و از جای خود تکان نمی‌خورد.»

اگر این قطره را در کنار قطره‌ای دیگر قرار دهیم، تقارن به هم می‌ریزد و قطره به حرکت درمی‌آید: بخار آب تراوش شده از قطره-های اطراف سبب کند شدن تبخیر قسمتی از قطره‌ی مد نظر که در نزدیکی آن قرار دارد می‌شود. به همین دلیل آب بیشتری در این ناحیه باقی می‌ماند و قطره به سمت جلو به جایی که بخار آب بیشتری وجود دارد حرکت می‌کند، حتی اگر این فاصله چند میلیمتر باشد. قطره‌های با غلظت کمتر به سمت قطرات با غلظت بیشتر حرکت می‌کنند و آنها را به جلو هل می‌دهند.

هنگامی که دلیل فیزیکی این پدیده کشف شد، محققان از آن استفاده کردند. آنها با استفاده از ماژیک ضد آب مسیرهای مانع‌دار مختلفی روی اسلایدهای شیشه‌ای کشیدند. از آنجا که قطرات آب-رنگ خوراکی از جوهر آبگریز ماژیک فرار می‌کنند، این قطرات در مسیرهای تعیین شده حرکت می‌کنند. به عنوان مثال، یک قطره با غلظت کم در یک مسیر دایره‌ای می‌تواند به مدت چند دقیقه به دنبال قطره‌ای غلیظ‌تر از خود حرکت کند. در مسیرهای دیگر قطره‌ها به صورت خط مرتب می‌شدند و یا به طور منظم به بالا و پایین حرکت می‌کردند.

محققان همچنین یک سیستم خود مرتب سازی را روی این قطره‌ها انجام دادند. در این سیستم قطرات در امتداد یک سری جعبه ی رسم شده با ماژیک که در داخل آنها مخلوط‌های با رنگ‌های مختلف قرار دارند حرکت می‌کنند تا جعبه‌ای با غلظت برابر با خود پیدا کنند. به علاوه، با استفاده از قطرات روی چند اسلاید، محققان آنها را به صورت لنزهای مایعی درآوردند که به صورت خودکار با هم تراز می‌شوند. اما تنفسی که Cira در دوران دانشجویی خود متوجه آن شده بود چیست؟ در واقع آن چیزی نبود جز اثر تنفس خود Cira که سبب حرکت قطره به درون و بیرون می‌شد.

فرآیند فیزیکی کشف شده توسط تیم Cira می‌تواند در زمینه‌های مختلف مفید باشد. به گفته‌ی John Bush متخصص دینامیک سیالات دانشگاه MIT مکانیزم‌های جدید مانند آجرهایی هستند که مهندسان با آنها خانه می‌سازند. وی عقیده دارد که پیش‌بینی کاربردهای این کشف دشوار است اما بی‌شک این کشف بسیار مفید است و می‌توان در آینده از طریق آن با استفاده از مقادیر بسیار کم سیال مواد را منتقل کرد و این یک مشکل کلیدی در مورد نیروهایی که سیالات را در محل خود نگه می‌دارند حل خواهد کرد.

قطرات مشابهی در هنگامی که دو مایع غیر فعال در مقابل هم مخلوط می‌شوند به وجود می‌آیند. البته به شرطی که یکی از این دو جزء کشش سطحی بالاتری داشته باشد و سریع‌تر تبخیر شود. تیم تحقیقاتی معتقد است این مخلوط‌ها ممکن است در آینده در ابزارهای میکروسیالی به منظور تمیز و خشک کردن سطوح از جمله سطح صفحات خورشیدی به کار بروند.

منبع:

Scientific American

منابع مفید: