Bu yılın Yumuşak Madde Fiziği Galerisi'nin kazananlarına göz atın

 Başvurular hem çarpıcı görsel nitelikler hem de bilimsel ilgi açısından değerlendirildi.

Brown Üniversitesi bilim adamları, Cheerios etkisini keşfetmek için iki adet 3D baskılı plastik disk kullandılar.

Bilimsel araştırmalar genellikle çarpıcı görseller üretir ve bu yılki Yumuşak Madde Fiziği Galerisi'nin kazananları da bir istisna değildir. Geçen hafta Nevada, Las Vegas'ta düzenlenen American Physical Society Mart Toplantısı sırasında seçilen kazanan video girişleri, Cheerios etkisini, takunyaların fiziğini ve baloncukların daha uzun süre dayanmasını sağlamak için şarap gözyaşlarının ardındaki fiziği kullanmayı içeriyordu. Başvurular, hem çarpıcı görsel nitelikler hem de bilimsel ilgi temelinde değerlendirildi. Galeri yarışması ilk olarak geçen yıl, kısmen derneğin son derece başarılı yıllık Fluid Motion Galerisi'nden esinlenerek düzenlendi. Bu yılın kazananlarının beşi de çalışmalarını önümüzdeki yılın Mart ayında Minneapolis, Minnesota'da yapılacak toplantıda sunma şansına sahip olacak.

Daha önce bildirdiğimiz gibi, "Cheerios etkisi", mısır gevreğinin son birkaç lezzetli "O" harfinin kasede neden topaklanma eğiliminde olduğunun ardındaki fiziği açıklar: ya merkeze ya da dış kenara doğru sürüklenir. Etki, bir göletin üzerinde yüzen polen tanelerinde (veya sivrisinek yumurtalarında) veya bir kase su içinde yüzen küçük madeni paralarda da bulunabilir. Suçlu, kaldırma kuvveti, yüzey gerilimi ve sözde "menisküs etkisinin" bir kombinasyonudur. Hepsi bir tür kılcal harekete kadar ekler. Temel olarak, Cheerios'un kütlesi sütün yüzey gerilimini kırmaya yetmez. Ancak kasedeki sütün yüzeyine küçük bir çentik koymak yeterlidir, öyle ki iki Cheerio yeterince yakınsa, doğal olarak birbirlerine doğru sürüklenirler. "Ezikler" birleşir ve "O"lar bir araya toplanır. Karışıma başka bir Cheerio ekleyin ve o da sütteki eğriliği takip ederek diğer "O"lara doğru sürüklenecektir.

Oyundaki gerçek kuvvetleri bu kadar küçük bir ölçekte ölçmek ürkütücüdür, çünkü bunlar bir sivrisineğin ağırlığıyla hemen hemen aynı ölçektedir. Tipik olarak, bu, sensörleri nesnelerin üzerine yerleştirerek ve doğal hareketi saptırmak için sensörleri kullanarak onları bir kapta yüzdürerek yapılır. Ancak Cheerios, bu uygulanabilir bir yaklaşım olmayacak kadar küçüktür.

Eski lisans öğrencisi Ian Ho'nun (şimdi Stanford'da yüksek lisans öğrencisi) önceki çalışmasına dayanarak, Brown Üniversitesi'nde postdoc Alireza Hooshanginejad ve kohortlar, kabaca bir Cheerio boyutunda iki adet 3D baskılı plastik disk kullandılar ve bunlardan birine küçük bir mıknatıs yerleştirdiler. Sonra diskleri elektrik bobinleriyle çevrili küçük bir su leğeninde yüzdürürler ve birlikte sürüklenmelerine izin verirler (çekim). Bobinler sırayla manyetik alanlar üreterek manyetize edilmiş diski manyetize edilmemiş ortağından uzaklaştırdı (itme).

Hooshanginejad ve ark. Cheerios etkisindeki kılcal hareketin gücünü disklerin kütlesi, çapı ve aralığı ile ilişkilendiren deneylerinden bir ölçeklendirme yasası çıkarabildiler. Örneğin, diskler arasındaki belirli bir aralıkta, iki karşıt gücün dengelendiğini ve böylece disklerin bir zıtlık haline geldiğini buldular. Ayrıca, belirli kalıpların farklı koşullar altında oluştuğunu da kaydettiler. Örneğin, parçacıkların yoğunluğu düşük olduğunda itme baskın kuvvettir, bu nedenle parçacıklar bir kristal kafes oluşturur. Yoğunluğu artırın ve parçacıklar birbirine daha yakın olduğu için çekim kuvveti hakim olur. İşte o zaman parçacıklar kümeler oluşturur. Çekici kuvveti daha da artırın ve parçacıklar şeritler oluşturacaktır.

Tıkanmalar, mürekkep püskürtmeli yazıcı nozülleri, lavabolar ve tuvaletlerden kan pıhtılarına, kanalizasyonlara ve silodan akan tahıl akışına, ayrıca trafik akışına ve kalabalık kontrolüne kadar birçok farklı sektörün felaketidir. Bu yüzden doğal olarak araştırmacılar için büyük ilgi görüyorlar. Tıkanmanın arkasında üç temel mekanizma vardır. Eleme, parçacıklar bir daralmadan geçemeyecek kadar büyük olduğunda meydana gelir; köprüleme, parçacıkların daralma noktasında sıkışıp sabit bir yay oluşturmasıdır; ve agregasyon, küçük yapışkan parçacıklar bir daralmada biriktiğinde meydana gelir. Her üç senaryodaki dinamikler, parçacıkların şekli ve boyutunun yanı sıra ne kadar deforme olduklarından etkilenir.

Cambridge Üniversitesi'nden Ben McMillan ve meslektaşları "köprü oluşturma" senaryosuna odaklandı: plastik (poliüretan) disklerin küçük bir delikten geçerken birbirine sıkışması. Bu, mimarideki bir kilit taşı kemerinin fiziğine benzer: Yukarıdaki ağırlıktan gelen basınç, aşağıdaki parçacıkları daha sıkı bir şekilde birbirine bastırır.

Deneyleri için McMillan ve ark. alt kısmında huni şeklinde bir açıklığı olan dikey bir hazne kullandı ve disklerin huniden aşağı kayarken ara sıra nasıl bir tıkanıklık oluşturacak şekilde birbirine sıkıştığını izledi. Opak tanecikli malzemeleri analiz etme zorluğunun üstesinden gelmek için McMillan ve ark. poliüretan disklerinin, zıt dairesel polarizörler (fotoelastisite) arasında bakıldığında, kırılma indeksindeki değişikliklerin sonucu olan ışık modellerini ortaya çıkardığı gerçeğinden yararlandı. Bu model, belirli bir diske etki eden her bir kuvvetin gücüne ve yönüne bağlıdır, böylece her bir parçacık arasındaki kuvveti ölçebildiler.

Ekip, kavisli bir tıkanıklık oluşana kadar disklerin (veya parçacıkların) akmasına izin verdi. Tıkanmanın sonunda kendiliğinden çöktüğü hem kararlı hem de metastabil kemer oluşumlarını gözlemlediler. Bazı yarı kararlı tıkanıklıklar diğerlerinden daha uzun süre devam etti. Bu fotoelastiklik, her bir yayda çeşitli kuvvetlerin zaman içinde nasıl geliştiğini görmelerini sağladı. Bir arkın stabil olup olmayacağını belirleyenin kuvvet gücündeki dalgalanmalar olduğu sonucuna vardılar ve ne zaman olacağını tahmin etmelerini sağladılar.

Baloncuklar doğası gereği geçicidir. Çoğu, standart bir atmosferde dakikalar içinde patlar. Zamanla, yerçekimi kuvveti sıvıyı kademeli olarak aşağı doğru boşaltır ve aynı zamanda sıvı bileşen yavaşça buharlaşır. Sıvı miktarı azaldıkça baloncukların "duvarları" çok ince hale gelir. Bu iki etkinin kombinasyonuna "kabalaşma" denir. Bir tür sürfaktan eklemek, kabarcıkları ayıran ince sıvı film duvarlarını güçlendirerek, yüzey gerilimini baloncukların çökmesinden korur. Ve geçen yıl, Fransız fizikçiler plastik parçacıklar, gliserol ve sudan "sonsuz baloncuklar" yaratmayı başardılar ve bunlardan biri 465 gün rekor kırarak hayatta kaldı.

Saurabh Nath ve diğer MIT meslektaşları, baloncukların ömrünü uzatmak için yeni bir yöntem buldular: bir sıvının düşük yüzey gerilimli bir alandan daha yüksek bir yüzey gerilimli alana aktığı Marangoni etkisinden yararlanmak. "Şarap gözyaşları" (diğer adıyla şarap ayakları veya "parmaklar") ve kahve halkası efektinin ardındaki olgu budur. Mutfak tezgahınıza ince bir su tabakası yayın ve ortasına bir damla alkol koyun ve suyun alkolden uzağa doğru aktığını göreceksiniz. Alkol konsantrasyonlarındaki fark, akışı yönlendiren bir yüzey gerilimi gradyanı oluşturur.

Deneyleri için Nath ve ark. hava enjekte edilen silikon yağından baloncuklar üretti ve nasıl oluştuklarını ve patladıklarını izlemek için bir kızılötesi kamera kullandı. Yağ banyosunun sıcaklığı çok önemli oldu. Sıcaklık daha düşükse (27° Santigrat), kabarcıklar neredeyse anında patlar. Daha yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 68° Santigrat), daha uzun sürdüler. Daha sıcak yağ, balonun üstü ve altı arasında, şarap gözyaşlarının arkasındaki yüzey gerilimi gradyanına benzer bir sıcaklık gradyanı üretti. Bu, yerçekimi kaynaklı kabalaşmaya karşı koymak için yukarı doğru bir Marangoni akışıyla sonuçlandı.

Nath ve ark. ardından baloncukların yağın yüzeyinin hemen üzerine asılan metal bir tele yapışması sağlandı. Yukarı doğru akan yağın telin etrafında sıvı bir menisküs oluşturduğunu ve sonunda kararsız hale geldiğini buldular - bu noktada bir "gözyaşı damlası" oluştu ve tekrar banyoya düştü. Araştırmacılar, bu gözyaşı damlalarının boyutunu ve sıklığını ölçerek Marangoni akışının hacmini belirleyebildiler.

Kazanan posterler

Muz biçimli kolloidlerin (solda) ve özenle kurutulmuş birikintilerin (sağda) görüntüleri.

Ayrıca bu yılki Yumuşak Madde Fiziği Galerisi'nde iki poster ödüle layık görüldü. İlki ("Dry Hard: Controlling Cracks in Drying Suspension Drops") Mario Ibrahim ve MIT'nin Fluid Lab'daki meslektaşları tarafından sunuldu. Poster, çamur ve boya katmanlarının genellikle çatlayıp kurumasına veya kahve halkası etkisine benzer şekilde, kuruyan damlacıklardaki çatlak modellerini keşfetmelerini içeriyordu. Damlacıklar, sudaki silika nanoparçacıklarının koloidal süspansiyonlarıdır.

Damlacıklar kuruması için bir cam alt tabaka üzerine yerleştirilir ve buharlaştıkça ortaya çıkan akış, Dünya atmosferinin 100 katına kadar güçlü bir negatif basınç oluşturur. Bu da çığ dinamikleri yoluyla yayılan çatlaklar üretir. Birikintiler, ilk damlacığın alt tabaka ile büyük veya küçük bir temas açısına sahip olmasına bağlı olarak farklı çatlak modelleri oluşturur; örneğin, çiçek açan bir çiçeğe benzeyen bir desen veya kanatlara benzeyen hassas dairesel tortular (resimde, sağ üstte) oluşturur. bir yusufçuk. Bu hassasiyet kuruma çatlaklarının kontrol edilmesini zorlaştırır.

İkinci poster ("Kolloidal Muzlar Kolloidal Girdaplar Oluşturuyor") Oxford Üniversitesi'nden Carla Fernández-Rico ve Roel Dullens tarafından sunuldu ve parçacıkların hilal şeklindeki sıvı kristal desenler halinde kendi kendine örgütlenmesine ilişkin çalışmalarının sonuçlarını gösteriyor. "kolloidal muz" olarak bilinir. İlk olarak yaklaşık 20 yıl önce keşfedilen, moleküler eğrilik derecesine ve kristal boyutlarına göre belirlenen 50'den fazla "muz fazı" kataloglanmıştır.

Muz parçacıklarının nasıl kendiliğinden birleştiğini doğrudan gözlemlemek zordur. Böylece Fernández-Rico ve Dullens, farklı eğriliklere sahip muz şeklindeki parçacıkların konumlarını ve yönelimlerini belirlemek için bir optik mikroskopi sistemi geliştirdi. Spesifik olarak, yüksek eğriliğe sahip "muzlar" ile düşük eğriliğe sahip "muzları" karıştırarak, parçacıkların koloidal girdaplar halinde kendi kendine organize olduklarını (sol üstte üç konfigürasyon resmedilmiştir) ve Vincent van Gogh'un Yıldızlı Gece'deki fırça darbelerine çarpıcı bir benzerlik gösterdiğini buldular.