تويت
إذا سافرتَ بالطائرة في الأشهر المقبلة، فربما ستشاهد أجواء طيران شتوية حيث يكون الجليد والثلج ممسوحًا ومُزالًا عن الأجنحة عن طريق سائل خاص. وهذا الشيء ضروري لأن قطيرات الماء الصغيرة من الممكن أن تتجمد في الهواء في بعض الظروف الجوية عندما تستقر على أجنحة الطائرة. وهذا بدوره من الممكن أن يؤدي إلى اضطراب تدفق الهواء أثناء الاقلاع، ما يُسبب انخفاض في قوة الحمل (قوة رفع الطائرة أيروديناميكيًا)، ومن المحتمل أن تكون هذه حالة خطيرة. وأفضل من عملية إزالة الجليد، بالطبع، هي أجنحة لا تسمح لقطرات الثلج أن تعلق عليها، أو حتى أجنحة تقوم بنفر تلك القطرات. وفي دراسة نشرت في مجلة نايتشر Nature العلمية، أظهر الباحثون في معهد ETH في زيورخ في سويسرا أنه من الممكن، بالمبدأ، تطوير مواد حساسة تجاه الثلج والماء. وللقيام بذلك، قاموا أولًا بجعل قطيرات الماء الصغيرة تقوم بالقفز.
وقام البروفيسور Dimos Poulikakos من معهد ETH مع المتعاونين معه في مختبر الديناميك الحراري في التكنولوجيات الناشئة، بدراسة سلوك قطرات الماء على السطوح عن طريق وضع قطرة ماء حجمها واحد مليلتر على سطح من السليكون الصلب والمُعالَج، وبعدها قاموا بتوليد ضغط جوي في حجرة الإختبار مع وجود كاميرا ذات سرعة تصوير عالية. في البداية، بقيت القطرة بلا حركة على السطح لكن عند الدرجة العشرين للضغط الجوي قامت القطرة بالقفز.وبعد قفزة قصيرة وقعت القطرة على السطح ثم قفزت مرة أخرى قفزة أعلى من الأولى. وتمامًا مثل الرياضي على الترامبولين الذي يقفز لارتفاع أعلى في كل مرة يرتد فيها عن الصفيحة المرنة للترامبولين، فإن قطرة الماء كانت تُدفع بشكل أعلى في كل مرة تُلامس فيها السطح بالرغم من أن السطح كان صلبًا تمامًا.
وقد يبدو هذا الأمر كالسحر للشخص العادي، إلا أن الخبراء، فوق كل شيء، يرون خرق للقوانين الفيزيائية الأساسية التي تقول أن الجسم الذي يقع على سطح صلب لا يمكنه اكتساب طاقة حركية بشكل تلقائي تمكّنه من الارتداد لارتفاع أعلى. إلا أنه يبدو أن هذه القطرات تفعل ذلك تمامًا.
القطرات ذو “الدفع الصاروخي”:
لفهم من أين تأتي القوة التي تدفع القطرات إلى الأعلى، قام Poulikakos و طالباه اللذان يدرسان لما بعد الدكتوراه Tom Schutzius و Stefan Jung بتحليل مُفَصّل لحركة القطيرات باستخدام كاميرا حرارية.
و علماء معهد ETH الذين قاموا في السنوات الأخيرة بالكشف عن عدد من ألغاز قطيرات الماء، وجدوا الأن بأن مزيج الماء الطبيعي المتبخر والبنية المجهرية لسطح المادة ضرورية لحدوث ظاهرة الترامبولين. والضغط الزائد بين القطرة والسطح، الناتج عن التبخر، يؤدي إلى دفع القطرة إلى الأعلى عند كل تصادم تمامًا مثلما يفعل النابض.
عندما تبدأ قطرة يتم تبريدها لما تحت الصفر مئوية بكثير (برودة فائقة) بالتجمد، يتم تعزيز عملية التبخر نتيجة ما يسمى “الارتداد الحراري”، وهو تأثير معروف جيدًا في معالجة المعادن، فمثلًا عند التلاعب بحرارة الحديد وتبريده، أثناء بروده، فإنه يقوم بشكل تلقائي بالاحترار (يَسخُن) لدرجة حرارة حمراء لفترة قصيرة. والسبب في هذا التأثير هو الكمون الحراري، والذي يتم تحريره أثناء عملية تحوّل داخل قطعة الحديد إلى الحالة الصلبة. ويحدث أمر مشابه لذلك جدًا داخل قطرات الماء تلك.
تصميم ذكي للسطح:
لكن صلب الموضوع يَكمُن في السطح ذاته. ويجب على السطح أن يكون قاسيًا كفاية لكي لا تلتصق القطرات به، ولكن ليس قاسيًا بشكل زائد يُسبب البخار الناتج من تلك القطرات بأن يهرب بسرعة من المسامات والشقوق في السطح، الأمر الذي سيتسبب بإختفاء تأثير القذف الصاروخي هذا.
وإن البنية المجهرية لسطوح السيليكون التي ينتجها الباحثون في ETH تراعي تمامًا تلك المتطلبات، حيث أنها مصنوعة من مصفوفات منتظمة صغيرة من الأعمدة (عرضها بضعة ميكرومترات) وبتباعد يبلغ 5 ميكرومتر تقريبًا.
وفي تجاربهم، قام العلماء بتفحُّص مواد مختلفة بما فيها الألومينيوم المحكوك، وأنابيب الكربون النانوية. ولجعل ألية الترامبولينأكثر إفادة وقابلية للاستخدام في تطبيقات العالم الحقيقي، يجب أولًا جعلها تعمل في الضغط الجوي العادي. ويأمل الباحثون تحقيق تقدم في هذا الاتجاه في السنوات القليلة المقبلة. وإذا تم الوصول إلى ذلك، فسيُفتَح الباب للكثير من التطبيقات، من خطوط التغذية الخالية من الجليد، وصولًا إلى سطوح طرقات طاردة للماء والجليد. ومن يعلم، فربما ستصبح عملية مسح وإزلة الجليد عن أجنحة الطائرات أمر غير ضروري يومًا ما.
وقام البروفيسور Dimos Poulikakos من معهد ETH مع المتعاونين معه في مختبر الديناميك الحراري في التكنولوجيات الناشئة، بدراسة سلوك قطرات الماء على السطوح عن طريق وضع قطرة ماء حجمها واحد مليلتر على سطح من السليكون الصلب والمُعالَج، وبعدها قاموا بتوليد ضغط جوي في حجرة الإختبار مع وجود كاميرا ذات سرعة تصوير عالية. في البداية، بقيت القطرة بلا حركة على السطح لكن عند الدرجة العشرين للضغط الجوي قامت القطرة بالقفز.وبعد قفزة قصيرة وقعت القطرة على السطح ثم قفزت مرة أخرى قفزة أعلى من الأولى. وتمامًا مثل الرياضي على الترامبولين الذي يقفز لارتفاع أعلى في كل مرة يرتد فيها عن الصفيحة المرنة للترامبولين، فإن قطرة الماء كانت تُدفع بشكل أعلى في كل مرة تُلامس فيها السطح بالرغم من أن السطح كان صلبًا تمامًا.
وقد يبدو هذا الأمر كالسحر للشخص العادي، إلا أن الخبراء، فوق كل شيء، يرون خرق للقوانين الفيزيائية الأساسية التي تقول أن الجسم الذي يقع على سطح صلب لا يمكنه اكتساب طاقة حركية بشكل تلقائي تمكّنه من الارتداد لارتفاع أعلى. إلا أنه يبدو أن هذه القطرات تفعل ذلك تمامًا.
القطرات ذو “الدفع الصاروخي”:
لفهم من أين تأتي القوة التي تدفع القطرات إلى الأعلى، قام Poulikakos و طالباه اللذان يدرسان لما بعد الدكتوراه Tom Schutzius و Stefan Jung بتحليل مُفَصّل لحركة القطيرات باستخدام كاميرا حرارية.
و علماء معهد ETH الذين قاموا في السنوات الأخيرة بالكشف عن عدد من ألغاز قطيرات الماء، وجدوا الأن بأن مزيج الماء الطبيعي المتبخر والبنية المجهرية لسطح المادة ضرورية لحدوث ظاهرة الترامبولين. والضغط الزائد بين القطرة والسطح، الناتج عن التبخر، يؤدي إلى دفع القطرة إلى الأعلى عند كل تصادم تمامًا مثلما يفعل النابض.
عندما تبدأ قطرة يتم تبريدها لما تحت الصفر مئوية بكثير (برودة فائقة) بالتجمد، يتم تعزيز عملية التبخر نتيجة ما يسمى “الارتداد الحراري”، وهو تأثير معروف جيدًا في معالجة المعادن، فمثلًا عند التلاعب بحرارة الحديد وتبريده، أثناء بروده، فإنه يقوم بشكل تلقائي بالاحترار (يَسخُن) لدرجة حرارة حمراء لفترة قصيرة. والسبب في هذا التأثير هو الكمون الحراري، والذي يتم تحريره أثناء عملية تحوّل داخل قطعة الحديد إلى الحالة الصلبة. ويحدث أمر مشابه لذلك جدًا داخل قطرات الماء تلك.
تصميم ذكي للسطح:
لكن صلب الموضوع يَكمُن في السطح ذاته. ويجب على السطح أن يكون قاسيًا كفاية لكي لا تلتصق القطرات به، ولكن ليس قاسيًا بشكل زائد يُسبب البخار الناتج من تلك القطرات بأن يهرب بسرعة من المسامات والشقوق في السطح، الأمر الذي سيتسبب بإختفاء تأثير القذف الصاروخي هذا.
وإن البنية المجهرية لسطوح السيليكون التي ينتجها الباحثون في ETH تراعي تمامًا تلك المتطلبات، حيث أنها مصنوعة من مصفوفات منتظمة صغيرة من الأعمدة (عرضها بضعة ميكرومترات) وبتباعد يبلغ 5 ميكرومتر تقريبًا.
وفي تجاربهم، قام العلماء بتفحُّص مواد مختلفة بما فيها الألومينيوم المحكوك، وأنابيب الكربون النانوية. ولجعل ألية الترامبولينأكثر إفادة وقابلية للاستخدام في تطبيقات العالم الحقيقي، يجب أولًا جعلها تعمل في الضغط الجوي العادي. ويأمل الباحثون تحقيق تقدم في هذا الاتجاه في السنوات القليلة المقبلة. وإذا تم الوصول إلى ذلك، فسيُفتَح الباب للكثير من التطبيقات، من خطوط التغذية الخالية من الجليد، وصولًا إلى سطوح طرقات طاردة للماء والجليد. ومن يعلم، فربما ستصبح عملية مسح وإزلة الجليد عن أجنحة الطائرات أمر غير ضروري يومًا ما.