Χρησιμοποιώντας νιφάδες χρυσού, θαλασσινό νερό και φως, οι επιστήμονες κατέστησαν ορατές, μέσω χρωμάτων, τις αόρατες συνδετικές δυνάμεις του σύμπαντος.
Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η ύλη οργανώνεται στις μικρότερες κλίμακες. Όταν η σκόνη προσκολλάται σε μια επιφάνεια ή όταν μια σαύρα περπατά στο ταβάνι, το αποτέλεσμα αυτό οφείλεται σε αυτό που οι επιστήμονες συχνά αποκαλούν «αόρατη κόλλα της φύσης».
Το πείραμα
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers στη Σουηδία ανέπτυξαν τώρα έναν γρήγορο και απλό τρόπο για να ερευνήσουν αυτές τις κρυφές δυνάμεις που συγκρατούν τα μικρότερα δομικά στοιχεία της ύλης.
Συνδυάζοντας χρυσό, θαλασσινό νερό και φως, δημιούργησαν μια πλατφόρμα όπου οι δυνάμεις αυτές γίνονται ορατές ως μεταβαλλόμενα χρώματα.
Η νέα πλατφόρμα των ερευνητών του Chalmers καθιστά δυνατή τη μέτρηση και τη μελέτη των δυνάμεων που συνήθως αναφέρονται ως «αόρατη κόλλα της φύσης» – αυτού που συγκρατεί τα αντικείμενα ενωμένα στις μικρότερες κλίμακες. Όταν το φως παγιδεύεται ανάμεσα σε δύο νιφάδες χρυσού, οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν τη λεπτή ισορροπία ανάμεσα σε δύο δυνάμεις: μία που έλκει τα μικροσκοπικά αντικείμενα μεταξύ τους και μία άλλη που τα κρατά σε απόσταση. Η δύναμη σύνδεσης, το φαινόμενο Casimir, κάνει τις νιφάδες χρυσού να ενώνονται μεταξύ τους. Η δεύτερη, η ηλεκτροστατική δύναμη, αναπτύσσεται στο αλατούχο διάλυμα και εμποδίζει τις νιφάδες από το να κολλήσουν εντελώς μεταξύ τους. Όταν αυτές οι δύο δυνάμεις εξισορροπούν η μία την άλλη, η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως αυτοσυναρμολόγηση και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία μιας κοιλότητας που ανοίγει νέες ερευνητικές δυνατότητες.
Πηγή: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers | Michaela Hošková
Νιφάδες χρυσού, θαλασσινό νερό και φως
Μέσα στο εργαστήριο, η διδακτορική φοιτήτρια Michaela Hošková κρατά ένα μικρό γυάλινο δοχείο γεμάτο με εκατομμύρια νιφάδες χρυσού μεγέθους μικρομέτρου, οι οποίες αιωρούνται σε ένα αλατούχο διάλυμα.
Χρησιμοποιώντας μια πιπέτα, τοποθετεί μια σταγόνα του μείγματος πάνω σε μια γυάλινη πλάκα με επίστρωση χρυσού, τοποθετημένη κάτω από ένα οπτικό μικροσκόπιο.
Οι νιφάδες έλκονται αμέσως προς την επιφάνεια, αλλά σταματούν ελάχιστα πριν από την πλήρη επαφή, αφήνοντας κενά μεγέθους νανομέτρου ανάμεσα στις νιφάδες και το χρυσό υπόστρωμα.
Αυτά τα μικροσκοπικά, γεμάτα υγρό κενά λειτουργούν σαν μικρογραφίες θαλάμων φωτός. Το φως ανακλάται εμπρός και πίσω στο εσωτερικό τους, παράγοντας ορατά χρώματα.
Όταν η διάταξη φωτίζεται με μια λάμπα αλογόνου και το ανακλώμενο φως αναλύεται με ένα φασματόμετρο, τα διαφορετικά μήκη κύματος γίνονται διακριτά. Στη συνδεδεμένη οθόνη, οι νιφάδες τρεμοπαίζουν και αλλάζουν χρώματα, όπως κόκκινο και πράσινο, πάνω σε ένα χρυσόκίτρινο φόντο.
Πηγή: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers | Mia Halleröd Palmgren
Μελέτη της «Κόλλας της Φύσης» με παγιδευμένο φως
«Αυτό που βλέπουμε είναι ο τρόπος με τον οποίο οι θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Μέσω αυτών των μικροσκοπικών κοιλοτήτων, μπορούμε πλέον να μετρήσουμε και να μελετήσουμε τις δυνάμεις που αποκαλούμε “κόλλα της φύσης” – αυτό που συγκρατεί τα αντικείμενα ενωμένα στις μικρότερες κλίμακες. Δεν χρειάζεται να παρέμβουμε σε αυτό που συμβαίνει, απλώς παρατηρούμε τις φυσικές κινήσεις των νιφάδων», λέει η Michaela Hošková, διδακτορική φοιτήτρια στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Chalmers και πρώτη συγγραφέας του επιστημονικού άρθρου στο περιοδικό PNAS, στο οποίο παρουσιάζεται η πλατφόρμα.
Εξετάζοντας το φως που παγιδεύεται στις κοιλότητες, η ομάδα μπορεί να αναλύσει την ισορροπία μεταξύ δύο ανταγωνιστικών δυνάμεων – μίας που έλκει τις νιφάδες μεταξύ τους και μίας που τις κρατά σε απόσταση.
Η ελκτική δύναμη, γνωστή ως φαινόμενο Casimir, αναγκάζει τις νιφάδες χρυσού να κινηθούν η μία προς την άλλη και προς την επιφάνεια. Η αντίρροπη ηλεκτροστατική δύναμη αναπτύσσεται στο αλατούχο διάλυμα και εμποδίζει τις νιφάδες από το να κολλήσουν πλήρως. Όταν αυτές οι δυνάμεις φτάσουν σε ισορροπία, συμβαίνει μια διαδικασία που ονομάζεται αυτοσυναρμολόγηση, σχηματίζοντας τις κοιλότητες που καθιστούν εφικτές τις μετρήσεις.
«Οι δυνάμεις στη νανοκλίμακα επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο συναρμολογούνται διαφορετικά υλικά ή δομές, αλλά ακόμα δεν κατανοούμε πλήρως όλες τις αρχές που διέπουν αυτή την πολύπλοκη αυτοσυναρμολόγηση. Αν τις κατανοούσαμε πλήρως, θα μπορούσαμε να μάθουμε να ελέγχουμε την αυτοσυναρμολόγηση στη νανοκλίμακα. Ταυτόχρονα, μπορούμε να αποκτήσουμε γνώσεις για το πώς οι ίδιες αρχές διέπουν τη φύση σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες, ακόμη και το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες», λέει η Michaela Hošková.
Πηγή: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers | Mia Halleröd Palmgren
Οι νιφάδες χρυσού ως αιωρούμενοι αισθητήρες
Η νέα πλατφόρμα βασίζεται σε έρευνες αρκετών ετών της ομάδας του Καθηγητή Timur Shegai στο Τμήμα Φυσικής. Πριν από τέσσερα χρόνια, η ομάδα έδειξε ότι ένα ζευγάρι νιφάδων χρυσού θα μπορούσε να σχηματίσει έναν αυτοσυναρμολογούμενο συντονιστή. Τώρα, επέκτειναν εκείνη την ανακάλυψη σε μια ευρύτερη μέθοδο για τη διερεύνηση θεμελιωδών δυνάμεων.
Σε αυτό το σύστημα, οι νιφάδες χρυσού λειτουργούν ως μικροσκοπικοί, αιωρούμενοι αισθητήρες. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύτιμη στους τομείς της φυσικής, της χημείας και της επιστήμης των υλικών.
Ο επικεφαλής της έρευνας, Timur Shegai, είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Chalmers, στη Σουηδία.
Πηγή: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers | Anna-Lena Lundqvist
«Η μέθοδος μας επιτρέπει να μελετήσουμε το φορτίο μεμονωμένων σωματιδίων και τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους. Άλλες μέθοδοι για τη μελέτη αυτών των δυνάμεων απαιτούν συχνά εξελιγμένα όργανα, τα οποία δεν μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σε επίπεδο μεμονωμένου σωματιδίου», αναφέρει ο επικεφαλής της έρευνας Timur Shegai.
Εφαρμογές από την ιατρική μέχρι τα υλικά
Η πλατφόρμα μπορεί επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια στα υγρά, συμπεριλαμβανομένου του αν παραμένουν σταθερά ή αν τείνουν να συσσωματώνονται.
Αυτή η γνώση θα μπορούσε να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο τα φάρμακα κινούνται μέσα στο σώμα, να υποστηρίξει τον σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών βιοαισθητήρων και να συμβάλει σε καλύτερα συστήματα φιλτραρίσματος του νερού.
Είναι επίσης σχετική με προϊόντα καθημερινής χρήσης, όπως τα καλλυντικά, όπου η πρόληψη της ανεπιθύμητης συσσωμάτωσης είναι απαραίτητη.
Όταν το φως παγιδεύεται ανάμεσα σε νιφάδες χρυσού μεγέθους μικρομέτρου μέσα σε ένα αλατούχο διάλυμα, καθίσταται δυνατή η μελέτη της λεπτής ισορροπίας ανάμεσα σε δύο δυνάμεις – μία που έλκει τα μικροσκοπικά αντικείμενα μεταξύ τους και μία άλλη που τα κρατά σε απόσταση. Η δύναμη σύνδεσης, το φαινόμενο Casimir, αναγκάζει τις νιφάδες χρυσού να συνδέονται μεταξύ τους. Η δεύτερη, η ηλεκτροστατική δύναμη, προκύπτει από το αλατούχο διάλυμα και εμποδίζει τις νιφάδες από το να κολλήσουν πλήρως. Όταν αυτές οι δύο δυνάμεις εξισορροπούν η μία την άλλη, η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως αυτοσυναρμολόγηση, και το αποτέλεσμα είναι η κοιλότητα που ανοίγει νέες ερευνητικές δυνατότητες.
Πηγή: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers | Mia Halleröd Palmgren
Όταν μια σταγόνα προστίθεται σε μια γυάλινη επιφάνεια με επίστρωση χρυσού, οι νιφάδες έλκονται προς αυτήν και σχηματίζονται κοιλότητες μεγέθους νανομέτρου (100-200 νανόμετρα).
Αυτή η αυτοσυναρμολόγηση προκύπτει από την ισορροπία μεταξύ δύο δυνάμεων: της δύναμης Casimir, ενός μετρήσιμου κβαντικού φαινομένου που έλκει τα αντικείμενα μεταξύ τους, και της ηλεκτροστατικής δύναμης που αναπτύσσεται μεταξύ φορτισμένων επιφανειών σε ένα αλατούχο διάλυμα.
Μια λάμπα αλογόνου εκπέμπει φως μέσα στις κοιλότητες, όπου αυτό παγιδεύεται και ανακλάται.
Στη συνέχεια, ένα οπτικό μικροσκόπιο και ένα φασματόμετρο διαχωρίζουν το φως στα επιμέρους μήκη κύματός του, ώστε να μπορούν να αναγνωριστούν τα χρώματα. Προσαρμόζοντας τη συγκέντρωση του αλατιού και παρατηρώντας πώς μετατοπίζονται οι νιφάδες σε σχέση με την επιφάνεια, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν τις υποκείμενες δυνάμεις.
Για να αποφευχθεί η εξάτμιση, η σταγόνα που περιέχει τις νιφάδες χρυσού σφραγίζεται και καλύπτεται με μια δεύτερη γυάλινη πλάκα.
Η πλατφόρμα αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Νανοκατασκευής του Chalmers, Myfab Chalmers
