شکستن یخ: دانشمندان از ذرات جذب کننده برای تشکیل یخ ضد چرخش استفاده می کنند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در یک مطالعه اخیر Nature Communications، محققان از تحقق یک یخ ضد چرخش خبر داده اند، سیستمی که برخلاف یخ های اسپین معمولی با شکستن قانون یخ حاکم بر آنها عمل می کند.

یخ های اسپین سیستم های مغناطیسی هستند که از قاعده ای که در یخ آب وجود دارد تقلید می کنند. در یخ آب، هر اتم اکسیژن دو اتم هیدروژن را نزدیک و دو اتم را دورتر نگه می دارد. این به قانون یخ معروف است. از آنجایی که بسیاری از ترتیبات به همان اندازه این قانون را برآورده می کنند، اتم های هیدروژن در یخ در نهایت بی نظم می شوند، به این معنی که هیچ الگوی تکراری وجود ندارد.

این نشانه ای از سرخوردگی هندسی است، که زمانی رخ می دهد که تعاملات رقابتی در یک سیستم نمی توانند به یکباره برآورده شوند و بسیاری از مصالحه های به همان اندازه خوب باقی می ماند.

دانشمندان این رفتار را در سیستم های مهندسی شده ای به نام یخ های چرخشی مصنوعی که از آرایه هایی از آهنرباهای ریز یا ذرات میکروسکوپی به نام کلوئید ساخته شده اند، بازسازی کرده اند.

در یخ‌های کلوئیدی، ذرات در شیارها یا چاه‌های کوچکی که در امتداد شبکه‌ای قرار گرفته‌اند، قرار می‌گیرند و هر کدام نزدیک یک انتها یا انتهای دیگر قرار دارند. از آنجا که ذرات یکدیگر را دفع می کنند، به طور یکنواخت پخش می شوند و عدم تعادل ذرات در هر اتصال (بار توپولوژیکی آن) را تا حد امکان کوچک نگه می دارند.

در بیشتر موارد، محققان یخ های کلوئیدی را با استفاده از ذرات دافعه مطالعه کرده اند. در مطالعه جدید، محققان بررسی کردند که وقتی ذرات به جای آن یکدیگر را جذب می‌کنند چه اتفاقی می‌افتد و چیزی را که آنها یخ ضد چرخش می‌نامند ایجاد می‌کنند.

Phys.org با یکی از نویسندگان این مطالعه پیترو تیرنو از دانشگاه بارسلونا صحبت کرد. تیرنو گفت که این کار "با این ایده انجام شده است که تغییر چیزی به همان اندازه بنیادی که نشانه برهمکنش زوجی بین ذرات - از دافعه به جذاب - ممکن است به طور کامل نحوه ظهور ناامیدی هندسی در یک سیستم فیزیکی را تغییر دهد."

در یخ کلوئیدی، هر شیار یک ذره را نگه می دارد و دو رأس شبکه را به هم متصل می کند. این ذره می‌تواند نزدیک هر یک از راس‌ها قرار بگیرد، مانند یک فلش کوچک عمل کند، یا بچرخد که به سمت یک راس و دور از دیگری باشد. محققان از این فلش ها برای دادن بار توپولوژیکی به هر راس استفاده می کنند. آنها شمارش می کنند که چند ذره نزدیک به رأس و چند ذره دورتر می نشینند و این تفاوت بار را نشان می دهد.

روی یک شبکه مربعی، هر رأس توسط چهار شیار احاطه شده است. یک راس با دو ذره نزدیک و دو ذره دور دارای بار صفر است. از آنجایی که هر ذره بین دو راس مشترک است، نزدیکتر شدن آن به یک راس، آن را از دیگری دور می کند. با ذرات دافعه، آرایش کم انرژی هر راس را تا حد امکان متعادل نگه می دارد. نتیجه، نسخه یخ کلوئیدی قانون یخ است.

Tierno گفت: "قاعده مرکزی است زیرا بر حالات کم انرژی بسیاری از سیستم های ناامید حاکم است. در واقع، برای دهه ها این اصل سازماندهی در پشت اکثر تحقیقات یخ چرخشی مصنوعی بوده است."

هنگامی که ذرات به جای آن به سمت یکدیگر جذب می شوند، به سمت برخی رئوس ازدحام می کنند و از برخی دیگر دور می شوند.

او گفت: «در یک یخ ضد چرخش، این سیستم به‌جای کاهش بارهای توپولوژیکی محلی به دنبال حداکثر کردن است.

در یک شبکه مربعی، یک راس دارای هر چهار ذره نزدیک دارای بار مثبت بالای 4+ خواهد بود، در حالی که یک راس با هر چهار ذره دور دارای بار منفی بالای 4- است. این تنظیمات توسط قانون یخ ممنوع است.

محققان از ذرات کلوئیدی با عرض 2.8 میکرومتر، ساخته شده از پلی استایرن با دانه های اکسید آهن استفاده کردند. با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، ذرات مغناطیسی می شوند.

در یخ های کلوئیدی مغناطیسی قبلی، وقتی میدان مستقیما از سطح به سمت بالا مشخص می شد، هر ذره کلوئیدی را به یک آهنربای یکسان رو به بالا تبدیل می کرد. وقتی در کنار هم بودند، یکدیگر را دفع می کردند. جذب ذرات ساده تر است.

اگر میدان در امتداد سطح اعمال شود، گشتاور مغناطیسی هر ذره در یک جهت است. جفت هایی که سر تا دم در امتداد میدان صف کشیده اند یکدیگر را جذب می کنند، در حالی که آنهایی که در کنار هم نشسته اند دفع می کنند. در قدرت میدان کم، حرکت حرارتی تصادفی می‌تواند موقعیت نسبی ذرات را تغییر دهد و به طور بالقوه تغییر کند که آیا یک جفت جذب یا دفع می‌شود.

برای دور زدن این مشکل، تیم یک میدان مغناطیسی را اعمال کرد که به سرعت در سطح سطح می چرخد. همانطور که می چرخد، هر جفت ذره به طور متناوب بین جذب و دفع می شود. جاذبه سر به دم تقریبا دو برابر قویتر از دافعه پهلو به پهلو است و در نتیجه یک جاذبه خالص در هر جهت یکسان است.

سپس محققان ذرات را در یک شبکه پنتاهپتیت (الگویی از حلقه های پنج و هفت وجهی) که از شیارهای بیضی شکل کوچک ساخته شده بود، قرار دادند، یک ذره در هر شیار.

در یخ های کلوئیدی دافعه، یک تپه یا برآمدگی کوچک در وسط هر شیار مانع از نشستن ذرات در مرکز می شود. با جاذبه، مرکز ناپایدار است. هنگامی که حرکت حرارتی تصادفی یک ذره را کمی به سمت یک انتهای شیارش سوق می دهد، جاذبه ذرات در آن انتهای آن، آن را به بقیه راه می کشد، بنابراین نیازی به تپه ای نیست.

این تیم به آرامی قدرت میدان دوار را افزایش داد و به تدریج جاذبه بین ذرات را تقویت کرد. میدان یک بار در ثانیه می چرخید. در سرعت های بالاتر، ذرات شروع به چرخش و حرکت در داخل شیارهای خود کردند و سیستم را مختل کردند.

در کنار آزمایش‌ها، محققان از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای مطالعه شبکه‌های مربعی، لانه زنبوری و پنتاهپتیت با چرخش میدان 50 بار در ثانیه استفاده کردند. آنها همچنین شبکه های مثلثی و کاگوم مستقیم (الگویی از مثلث ها و شش ضلعی ها) را بررسی کردند.

در شبیه سازی شبکه مربع، رئوس متعادل شده توسط قانون یخ با تقویت جاذبه توسط محققان ناپدید شد. در جای خود، رئوس با هر چهار ذره نزدیک یا هر چهار ذره دور، به طور متناوب در سراسر شبکه مانند یک صفحه شطرنجی به پایان رسید.

همین اتفاق در شبکه لانه زنبوری رخ داد، جایی که سه شیار در هر رأس به هم می رسند: راس هایی با هر سه ذره نزدیک با راس هایی با هر سه دور دور.

Tierno توضیح داد: «تبلور شارژ حالتی از سیستم است که در آن بارهای زیاد ناپدید نمی شوند، بلکه خود را به صورت مبهم و متناوب بین مقادیر مثبت و منفی مرتب می کنند.

در هر دو شبکه، سیستم در یک آرایش منفرد قرار گرفت. برای شبکه لانه زنبوری، این با حالت دافعه در تضاد است، که در آن بسیاری از ترتیبات به همان اندازه قانون یخ را برآورده می کنند. محققان همچنین ترتیبات منفرد مرتب شده برای شبکه های مثلثی و کاگوم مستقیم را شناسایی کردند.

شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌ها هر دو نشان دادند که شبکه پنتاهپتیت مانند بقیه رفتار نمی‌کند. با افزایش جاذبه، بیشتر رئوس دارای بار زیاد شدند، اما سهمی از رئوس کم بار همیشه باقی می ماند. حتی در قوی‌ترین جاذبه‌ها، تقریبا از هر چهار راس، یک راس کم شارژ باقی می‌ماند.

Tierno گفت: "در این هندسه، غیرممکن است که بارها را به صورت پلکانی مرتب کنیم تا هر نیاز محلی برای حداکثر کردن شارژ به طور همزمان برآورده شود. در نتیجه، سیستم ناامید می شود."

در شبکه پنتاهپتیت، بارها نمی توانند به طور کامل در اطراف حلقه های یک طرفه جایگزین شوند. دو رأس همسایه همیشه به یک علامت ختم می شوند. رئوس کم شارژ باقیمانده می توانند در مکان های مختلفی قرار گیرند، بنابراین سیستم به جای یک الگوی مرتب، آرایش های تقریبا مشابه زیادی دارد.

او افزود: "در یخ ضد چرخش ما، ناامیدی از مشکل مخالف ناشی می شود: عدم امکان به حداکثر رساندن بار در سطح جهانی در شبکه ای که توپولوژی آن مانع از مرتب سازی کامل شارژ می شود."

نتایج تجربی پس از اینکه محققان قدرت میدان مغناطیسی را تغییر دادند تا تفاوت‌ها در فاصله ذرات و پاسخ مغناطیسی را در نظر بگیرند، به خوبی با شبیه‌سازی‌ها مطابقت داشتند.

یافته‌ها نشان می‌دهد که ناامیدی در یخ‌های کلوئیدی می‌تواند نه تنها زمانی که یک سیستم تلاش می‌کند تا بارهای محلی را به حداقل برساند، بلکه زمانی که تلاش می‌کند آنها را به حداکثر برساند، ظاهر می‌شود. این زمانی اتفاق می‌افتد که شبکه از تغییر بارها در یک الگوی ثابت جلوگیری می‌کند.

محققان ناامیدی را به عنوان یک سوال سازگاری بین قوانین محلی و طرح کلی شبکه توصیف می کنند. این که چیدمان چگونه تضاد ایجاد می کند به تعامل بستگی دارد. با دافعه، راس ها کمترین بار ممکن را ترجیح می دهند. با جذابیت، آنها از بزرگترین ها حمایت می کنند. در شبکه پنتاهپتیت، ترکیب حلقه‌های پنج‌وجهی و هفت‌وجهی فرد مانع از تغییر متناوب این راس‌های پر بار در همه جا می‌شود.

از آنجایی که برهمکنش بین ذرات توسط میدان مغناطیسی تنظیم می شود، در اصل می توان آن را تغییر داد. افزودن یک جزء عمودی به میدان دوار باعث می‌شود که یک مخروط بیرون بیاید. بسته به زاویه مخروط، ذرات به طور متوسط ​​جذب یا دفع می شوند، با تغییر در حدود 54.7 درجه، که به عنوان زاویه جادویی شناخته می شود.

در میان مسیرهای احتمالی برای کارهای آینده، تیرنو گفت: هیجان انگیزترین "این واقعیت است که تنظیم جفت برهمکنش ها از دافعه به جذاب از طریق جهت گیری میدان مغناطیسی اعمال شده ممکن است برای برنامه ریزی یک سیستم به عنوان یک یخ کلوئیدی معمولی یا یک یخ ضد چرخش کلوئیدی استفاده شود."

او گفت: "این نه تنها می تواند به ما در درک چگونگی ظهور یا ناپدید شدن ناامیدی کمک کند، بلکه می تواند حتی برای برنامه ریزی سرخوردگی استفاده شود. این مفاهیم می تواند سپس به دیگر پلت فرم های یخ مصنوعی، از جمله سیستم های نانومغناطیسی، ابررسانا یا فراماده تعمیم یابد."

نوشته شده توسط نویسنده ما Tejasri Gururaj، ویرایش شده توسط Gaby Clark، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط Robert Egan — این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

Renaud Baillou و همکاران، تبلور بار اضطراری و سرخوردگی در یخ ضد چرخش ذرات، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-77905-2.

نویسنده علوم آزاد با MS در فیزیک. رشته های علمی متنوع را از طریق نوشتن تحقیق محور بررسی می کند. نمایه کامل →

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →