در تحقیقات گسترده‌ای که اخیراً پژوهشگرانی از ایران با همکاری پژوهشگرانی از کشورهای اسلونیا، آمریکا، انگلستان و فرانسه به انجام رسانده‌ا‌ند، با ارائه یک نظریه سیستماتیک، موفق به توضیح نیرویِ نامتعارفی شده‌اند که به تازگی در آزمایش‌های اثر کازیمیر مشاهده شده‌است.
نظریه‌ی جدید محققان ایرانی برای تبیین برهمکنش سطوح خنثی
|
در تحقیقات گسترده‌ای که اخیراً پژوهشگرانی از ایران با همکاری پژوهشگرانی از کشورهای اسلونیا، آمریکا، انگلستان و فرانسه به انجام رسانده‌ا‌ند، با ارائه یک نظریه سیستماتیک، موفق به توضیح نیرویِ نامتعارفی شده‌اند که به تازگی در آزمایش‌های اثر کازیمیر مشاهده شده‌است. این نظریه نشان می‌دهد که حتی موادی که در کل از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، اما بارهای الکتریکی مثبت و منفی‌ای دارند که به صورت تصادفی (random) در روی سطح یا در حجم آنها توزیع شده‌اند، می‌توانند یکدیگر را با نیروهایی بسیار بلندبرد جذب یا دفع کنند. این تحقیقات چارچوبی برای مطالعه برهمکنش لایه‌ها و سطوح جامد در فواصل زیرِ میکرون، و حتی برهمکنش بیومولکول‌های زیستی (از جمله نانوکلوییدها و پروتئین‌ها) و غیره فراهم می‌کند و می‌تواند در علوم نانو و بالاخص ساخت و طراحی ماشین‌های نانو از جمله NEMS نیز کاربرد داشته باشد.
یکی از پدیده‌های شگفت‌انگیزی که در فیزیک معاصر در طی چند دهه اخیر مورد توجه فیزیکدان‌های نظری و تجربی در تقریبا تمام بخش‌های پژوهشی قرار گرفته‌است، اثر کازیمیر است. این اثر برای نخستین بار در سال ۱۹۴۸ به‌وسیله‌ی هندریک کازیمیر پیشبینی شد. کازیمیر پیشبینی کرد که چنانچه دو سطح فلزی ایده‌ال و کاملا خنثی در خلاءِ کامل و عاری از هر گونه ماده و تشعشع خارجی در دمای صفرِ مطلق قرار داده شوند یکدیگر را با یک نیروی متناهی جذب می‌کنند.
این نتیجه در واقع نشان می‌دهد که نیرویی از هیچ بین دو صفحه فلزی پدیدار می‌شود. این نتیجه در ابتدا غیربدیهی به نظر می‌رسید، اما این اثر و منشأ آن به برخی از بنیادی‌ترین قوانین فیزیک نوین از جمله فیزیک کوانتومی و نسبیتی پیوند خورده‌است. این نیرو در واقع ناشی از این حقیقت است که بر اساس فیزیک کوانتومی خلا نمی‌تواند مطلقاً خالی باشد بلکه دارای حالت پایه‌ای است که حاوی انرژی‌ای نامتناهی است که به عنوان انرژیِ نقطه صفر شناخته می‌شود.
در حضور دو سطح فلزی، طیف کوانتومی خلاءِ الکترومغناطیسی تغییر می‌کند و در واقع کاهیده می‌شود که منجر به ایجاد نیروی جاذبه کازیمیر بینِ دو سطح می‌گردد. بررسی اثر فوق برای مواد واقعی که طبعاً متفاوت با فلز ایده‌ال هستند برای اولین بار توسط لیفشیتز در سال ۱۹۵۶ ارائه شد. بر اساس نظریه لیفشیتز برای محاسبه نیروی کازیمیر بین دو ماده به تابع دیالکتریک مواد در فضای فرکانس نیاز است.
وجود اثر کازیمیر و نیروی ناشی از آن – که به عناوین مختلفی از جمله نیروی کازیمیر، نیروی کازیمیر-لیفشیتز (Casimir-Lifshitz)، یا نیروی کازیمیر-واندروالس (Casimir-Van der Waals) شناخته می‌شود – در بخش‌های مختلف علوم پایه از فیزیک تا شیمی و بیولوژیِ مولکولی دارای اهمیتی فوق‌العاده زیاد است.
دکتر علی ناجی از پژوهشگاه دانش‌های بنیادی(IPM) و دانشگاه کمبریج انگلستان با همکاری دکتر جلال سرآبادانی از موسسه ماکس پلانک در ماینزِ آلمان و دانشگاه اصفهان، و پژوهشگران همکارِشان از دانشگاه‌های لیوبلیانا در اسلونیا، ماساچوست (Amherst) در آمریکا، کمبریج انگلستان و بوردویِ فرانسه اخیراً توجه خود را به بررسی برهمکنش و نیروهای عامل بین سطوح بارداری معطوف کرده‌اند که توزیع بارالکتریکی بر روی سطح آنها به صورت تصادفی یا کاتورهای (random) یا ناهمگن (heterogeneous) پخش شده است.
این مطالعات در ابتدا تماماً معطوف به سیستم‌هایی بود که در زمینه موضوعیِ مربوط به مواد نرم (soft matter) و بیوفیزیک (biophysics) قرار می‌گیرند. دکتر ناجی در مصاحبه‌ای در اینباره با بخش خبری ستاد ویژه توسعه فناوری نانو گفت: «انگیزش ابتدایی مطالعات ما بین سال‌های ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۸ بررسی رفتارِ فیزیکیِ موادی بود که غالباً در سیستم‌های زیست‌شناختی (biological) یافت می‌شوند از جمله کلوییدها، پلیمرها، پروتئین‌ها و غشاهای سلولی که سطوح آنها غالباً از بار الکتریکی با توزیع تصادفی یا ناهمگن پوشیده شده‌است. به‌طور مشخص، سطوح باردار در این سسیستم‌ها همیشه در محلولی باردار از یون‌های آزاد قرار دارند. این محلول‌های یونی با نام‌های مختلفی از جمله شاره‌های کولمبی یا پلاسماهای دمای اتاق و یا الکترولیت شناخته می‌شوند و باعث پیچیدگی‌های ریاضی خاصی در نظریه‌های مربوط به این سیستم‌ها می‌گردند.»
در سال ۲۰۰۸ توجه تحقیقاتی این تیم به مسئله بینظمی و ناهمگنی توزیعِ بار الکتریکی در مسئله اثر کازیمیر در خلاء معطوف گردید که شباهت‌های نزدیکی با مسائل فوق نشان می‌داد. مطالعات بعدی ایشان که تاکنون نیز ادامه دارد، نتایجی به همراه داشته است که منجر به نشر چندین مقاله شده‌است که به مقولات ویژه‌ای که می‌تواند حائز اهمیت فراوان در علوم نانو باشد مربوط می‌شود. به عنوان نمونه نتایج تازه‌ای از مطالعات این دانشمندان که در مجله The European Physical Journal E در سال ۲۰۱۲ چاپ گردید، مورد توجه جامعه علمی قرار گرفت و در صدر اخبار برخی از مهمترین سایت‌های خبری-علمی بین‌المللی مطرح گردید.
مشاهده تجربی اثر کازیمیر از بدو پیشبینی آن همواره مورد توجه فیزیکدان‌ها بوده است. علی رغم شواهد غیرِ مستقیم ِفراوان، اندازه‌گیری مستقیم نیروی بین دو ماده در خلا همواره با چالش روبرو بوده‌است. در سال‌های اخیر با پیشرفت و ابداع روش‌های آزمایشگاهی موسوم به اندازه‌گیری با حساسیتِ بسیار بالا (Ultra-high Sensitivity)، بحثِ اندازه‌گیری نیروی کازیمیر وارد برهه جدیدی شده است.
دکتر ناجی در رابطه با کار تحقیقاتی تیم حاضر، اضافه کرد: «مشاهدات آزمایشگاهی با حساسیت بالا که اخیراً انجام گرفته است یافته‌های پیشین در اندازه‌گیری اثر کازیمیر را تا حدودی زیر سوال برده است. اندازه‌گیری‌های اخیر نشان داده است که مشاهده مستقیم این اثر چندان بدیهی نیست بلکه به علت وجود بینظمی‌های طبیعی در مواد، یک نیروی نامتعارفِ بسیار بلند بردِ دیگر بین سطوحِ مورد آزمایش دیده می‌شود که اثر اصلی را کاملاً تحت الشعاع قرار می‌دهد. بنابراین پیشنهاد شده است که برای به‌دست آوردن نیروی اصلی کازیمیر ابتدا باید این نیروی نامتعارفِ بلندبرد شناخته شده و از نیروی کل مشاهده شده حذف شود. من و همکارانم در سال ۲۰۱۰ یک نظریه سیستماتیک برای توضیح این نیروی نامتعارف بر اساس بینظمی بار الکتریکی ارائه کردیم که در ذیل مختصراً به شالوده آن اشاره می‌کنم.»
دکتر ناجی عضو هیئت علمی پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، ادامه داد: «اساس نظریه‌ای که ما ارائه کردیم بر این استوار است که مواد غالباً دارای بینظمی در توزیع بار خود هستند و حتی موادی که در کل خنثی هستند و بار الکتریکیِ خالص ندارند دارای بارهای مثبت و منفی‌ای هستند که به صورت تصادفی یا کاتورهای (random) در روی سطح یا در حجم آنها توزیع شده‌اند. چنین بینظمی بارِ الکتریکی حتی در تمیزترین نمونه‌ها (مواد) وجود دارد و مورد تایید در آزمایش‌های اخیر قرار گرفته است و لذا نشان می‌دهد که تصور اینکه سطوحِ خنثی «مطلقاً بدون بار» هستند درست نیست. نظریه ارائه شده توسط ما مستقیماً نشان می‌دهد که حضور بارهای تصادفی ثابت یا یخزده (quenched) منجر به نیروهای بلندبرد حتی بین موادی می‌گردد که در کل خنثی هستند و بار خالص ندارند.»
این نظریه در ابتدا تا حدی محیرالعقول به نظر میرسد چرا که طبق تمام متون استاندارد درسی (در زمینه نیروهای الکترومغناطیس) اجسام خنثی تنها می‌توانند با نیروهای کوتاهبرد (ناشی از اثرات معروف به دو قطبی یا چندقطبی‌های الکتریکی) برهمکنش داشته باشند. وی همچنین ابراز داشت: «ما نشان دادیم که نیروهای بلندبردِ پیشبینی شده در مطالعات ما ناشی از اندرکنش دو عامل فیزیکی بسیار مهم است: ۱) وجود بارهای تصادفی حتی در اجسامی که خنثی هستند موجبِ القای الکتریکی می‌شود که به اثرِ «بارهای تصویری» معروف است. ۲) میانگین‌گیریِ آماری روی این بارهای بی‌نظم منجر به حذف اثر همبستگیِ آماری بارهای تصادفی با یکدیگر می‌شود اما اثر همبستگیِ آماری بارهای تصادفی با بارهای تصویریِ خودشان باقی می‌ماند. این عامل به صورت یک نیروی بلندبرد ظاهر می‌شود که در خلاء و بین دو جسم خنثی که دارای بارهای تصادفی هستند به صورت جاذبه‌ای خواهد بود. همچنین ما نشان دادیم که این نیروهای ناشی از بی‌نظمیِ بار الکتریکی بسیار قوی هستند و می‌توانند در کنار اثر کازیمیر نقش مهمی در مقیاسهای کوچک (زیر مقیاس میکرومتر و در بازه مقیاسهای نانو) ایفا کنند.»
بنابراین نظریه‌ای که بدین‌وسیله ارائه شده است منجر به نتیجه‌ای می‌شود که در نظریه‌های استاندارد برهمکنش الکترومغناطیسی بین مواد در نظر گرفته نشده است و از این نظر به عنوان یک نتیجه بنیادین در این زمینه مطرح گردیده‌است. این نتیجه برای اولین بار در مجله Physical Review Letters که مطرح‌ترین مجله بین‌المللی فیزیک است در سال ۲۰۱۰ ارائه شد. این تحقیقات بعد از ارائه نظریه جدید نیز ادامه یافته و منجر به نتایج جدیدی شده است.
دکتر ناجی در این باره نیز گفت: «در کارهای بعدی مشاهده کردیم که نیروهای ناشی از بینظمی بار می‌توانند با تغییر شرایط محیط تغییر علامت دهند و از نیروی جاذبه به نیروی دافعه تبدیل شوند. بالاخص دیده شد که اندرکنش بین این نیروها و نیروی کازیمیر در سیستم‌هایی که دو جسم در محیطی غیر از خلاء قرار دارند (از جمله در داخل یک مایع دیالکتریک) می‌تواند منجر به ایجاد نیروهای نایکنوا (non-monotonic) شود که می‌توانند در فاصله‌های نزدیک جاذبه‌ای و در فاصله‌های دور دافعه‌ای باشند و یا بالعکس، و بنابراین وجود نقاطی را پیشبینی می‌کنند که به نقاط «تعادل پایدار» یا «ناپایدار» موسوم هستند. این رفتارها می‌توانند کاربرد فراوانی در کنترل و بهره‌برداری مکانیکی از نیروی کازیمیر در ابعاد نانو یا زیرِ میکرون داشته باشند.»
در کارهای بعدی پیشبینی شد که سطوح خنثی که حامل بارهای الکتریکی تصادفی هستند، می‌توانند یکدیگر را با نیروهای مماسی یا برشی و «گشتاورهایی» بسیار بلند نیز تحت تأثیر قرار دهند، و بنابراین اگرچه این سطوح در کل بار خالص ندارند، می‌توانند به یکدیگر نیروهای «اصطکاکی» تصادفی وارد کنند. این نیروها در کاربردهای مختلفی می‌توانند موثر باشند از جمله در محاسبه و بهره‌برداری از سطوحی که در فواصل نزدیک در تماس قرار می‌گیرند، در کاربردهایی مانند شاره‌های جاری در نانوکانال‌ها. (nano-fluidics)، یا در اندازه‌گیری نیروها در آزمایش‌هایی که از فناوری atomic force microscopy استفاده می‌کنند. وجود گشتاورهای بلندبرد بین سطوح با بار تصادفی می‌تواند در توضیح و فهم نظری پدیده‌های مهمی در بیولوژی مولکولی و فناوری نانوبیو نیز نقش داشته باشد. از جمله در فرایند موسوم به «تشخیص الگوها» (pattern recognition) که در بیولوژی مولکولی موضوعی بسیار کلیدی است و اساس اندرکنشِ بهینه پروتئین‌ها از لحاظ زیست شناختی را تشکیل می‌دهد. اصول نظری «تشخیص الگوها» هنوز به طور کامل کشف نشده است. تحقیقات فعلی بر روی برهمکنش سطوحی که دارای بارهای تصادفی هستند و رهیافتی که در مطالعات این تیم پیشنهاد شده است می‌تواند در این زمینه راهگشا باشد.
از این کار تحقیقاتی گسترده مقالات متعددی در مجلات معتبر بین‌المللی منتشر شده‌است. متن کامل این مقالات از اینجا قابل دسترسی است. |
