راز یک کریستال کامل ممکن است یک چرخش اضافی دقیق مدرج باشد

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

ایجاد یک کریستال کامل ساده به نظر می رسد: بلوک های ساختمانی یکسان را در یک ساختار منظم و تکرار شونده بچینید. با این حال، در مقیاس میکروسکوپی، حتی سوگیری‌های ظریف در نحوه تعامل ذرات می‌تواند آنها را به جهات ترجیحی سوق دهد و تشکیل مواد کریستالی یکنواخت را دشوارتر کند.

یک مطالعه به رهبری دانشگاه رایس راهی برای حل این مشکل ارائه می دهد. Tanaka Tatsuya، دانشمند پژوهشی برنج از شرکت Kao در ژاپن، یک استراتژی نظری برای حذف یک سوگیری جهتی ناخواسته که می‌تواند هنگام جمع‌آوری ذرات مغناطیسی با استفاده از میدان‌های مغناطیسی دوار ایجاد شود، ایجاد کرده است. این کار که در Physical Review Research منتشر شده است، نشان می‌دهد که راه‌حل می‌تواند به طرز شگفت‌آوری ساده باشد: قبل از معکوس کردن جهت میدان مغناطیسی، کمی بیش از یک دور کامل بچرخانید.

سیبانی لیزا بیسوال، رئیس مهندسی شیمی و بیومولکولی و پروفسور ویلیام مک‌کاردل در مهندسی شیمی در رایس و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت: «وقتی میدان مغناطیسی را می‌چرخانیم، پاسخ مغناطیسی ذره همیشه کمی عقب‌تر است. این تأخیر کوچک مهم است. حتی زمانی که میدان اعمال شده کاملا متقارن به نظر می رسد، می تواند یک جهت ترجیحی برای مونتاژ ایجاد کند.

محققان می توانند از میدان های مغناطیسی دوار برای هدایت ذرات مغناطیسی به ساختارهای سازمان یافته استفاده کنند. یکی از روش‌های رایج، میدان را در یک جهت می‌چرخاند و سپس آن را معکوس می‌کند و به جلوگیری از چرخش مداوم ذرات و خوشه‌های ذرات کمک می‌کند. اما تیم رایس دریافتند که یک جاروی معمولی 360 درجه با همه جهت‌ها یکسان رفتار نمی‌کند.

دلیل آن یک تاخیر جزئی است که به عنوان آرامش مغناطیسی شناخته می شود، بین تغییر میدان اعمال شده و پاسخ مغناطیسی ذره. به دلیل آن تأخیر، برخی جهت‌گیری‌ها به طور مؤثر بیش از سایرین نمونه‌برداری می‌شوند و یک محور ترجیحی ایجاد می‌کنند که در امتداد آن ذرات تمایل به همسویی دارند.

محققان دریافتند که چرخش میدان کمی فراتر از 360 درجه قبل از معکوس کردن آن می تواند این عدم تعادل را جبران کند. در یک زاویه رفت و برگشت دقیق محاسبه شده، ترجیح جهت ناپدید می شود، و به دو ذره اجازه می دهد بدون توجه به جهت خود، برهمکنش متوسط ​​یکسانی را تجربه کنند.

به عبارت دیگر، کسری اضافی از یک چرخش می تواند فعل و انفعالات همسانگرد را بازیابی کند - فعل و انفعالاتی که در هر جهت یکسان هستند.

این تیم همچنین یک رابطه کلی برای تعیین دقیق میزان چرخش اضافی مورد نیاز به دست آورد. زاویه مورد نیاز به دو عامل بستگی دارد: سرعت واکنش مغناطیسی یک ذره، که به عنوان زمان آرامش آن شناخته می شود، و سرعت چرخش میدان مغناطیسی.

شبیه‌سازی‌های عددی نشان داد که این رابطه حتی زمانی که محققان برهمکنش‌های بین ذرات و چرخش فیزیکی خود ذرات را در نظر می‌گرفتند، مؤثر باقی می‌ماند.

آلدو اسپاتافورا-سالازار، دانشمند تحقیقاتی مهندسی شیمی و بیومولکولی در آزمایشگاه بیسوال و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «این نتیجه طراحی آزمایش‌ها با ذرات در حال تعامل را تسهیل می‌کند». چرخش اضافی را با استفاده از زمان تأخیر ذره و سرعت چرخش میدان محاسبه کنید. سپس جارو می‌تواند به عنوان یک پارامتر آزمایشی برای دستیابی به برهمکنش‌های همسانگرد ثابت شود.

بیسوال گفت: «اگر می‌خواهید ذرات کریستال‌هایی با مرتبه بالا تشکیل دهند، ابتدا باید سوگیری‌های ناخواسته را در نحوه تعامل آنها درک کرده و از بین ببرید. "این به ما دستور العمل کمی برای انجام آن می دهد."

این یافته‌ها راه جدیدی را برای تنظیم دقیق نیروهای حاکم بر خودآرایی مغناطیسی ارائه می‌کند و می‌تواند به محققان کمک کند ساختارهای کریستالی یکنواخت‌تری را از ذرات میکروسکوپی طراحی کنند.

Tatsuya Tanaka و همکاران، کنترل جهت در کلوئیدهای دوقطبی از طریق آرامش در میدان های چرخشی متناوب، تحقیقات مرور فیزیکی (2026). DOI: 10.1103/jn1b-y4cx

اطلاعات مجله: تحقیقات مروری فیزیکی

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