فیزیکدانان معمای ۱۵۰ ساله معادله حاکم بر فیزیک قلعه شنی را حل کردند

منتشرشده در arstechnica به تاریخ ۹ دسامبر ۲۰۲۰لینک مقاله اصلی: Physicists solve 150-year-old mystery of equation governing sandcastle physicsساخت قلعه‌های شنی در ساحل یک سنت قدیمی در سراسر جهان است که در سال‌های اخیر به لطف صدها رقابت سالانه به یک هنر ارتقا یافته‌است. در حالی که فیزیک اساسی آن به خوبی شناخته شده‌است، فیزیکدانان به کسب دیدگاه‌های جدید در مورد این ماده دانه‌ای جذاب در طول دهه گذشته و حتی بیشتر ادامه داده‌اند. طبق یک مقاله جدید که به تازگی در Nature منتشر شده‌است، آخرین موفقیت از آزمایشگاه «آندره گیم» برنده جایزه نوبل در دانشگاه منچستر انگلستان حاصل شده‌است که در آن گیم و همکارانش یک پازل ریاضی را حل کرده‌اند-«معادله کلوین»-که به ۱۵۰ سال پیش باز می‌گردد.تمام چیزی که شما واقعا برای ساختن یک قلعه شنی نیاز دارید شن و آب است؛ آب به عنوان نوعی چسب عمل می‌کند که دانه‌های شن را از طریق نیروی مویینگی به هم متصل می‌کند. مطالعات نشان داده‌است که نسبت ایده‌آل برای ساختن یک قلعه شنی با ساختار مناسب، یک سطل آب برای هر هشت سطل ماسه است، اگر چه هنوز امکان ساخت یک سازه مناسب با محتوای آب متفاوت وجود دارد. اما اگر می‌خواهید قلعه‌های شنی با شکوه و سربه‌فلک‌کشیده‌ای بسازید که در رقابت برنده شوند، بهتر است از این نسبت ایده‌آل پیروی کنید.در سال ۲۰۰۸، فیزیکدانان تصمیم گرفتند کمی عمیق‌تر کاوش کنند که چرا شن وقتی خیس می‌شود چسبناک می‌شود. با استفاده از میکروتوموگرافی اشعه ایکس، آن‌ها تصاویر سه‌بعدی از مهره‌های شیشه‌ای مرطوب با شکل و اندازه‌ای مشابه دانه‌های شن تهیه کردند. وقتی آن‌ها مایع را به مهره‌های خشک اضافه کردند، مشاهده کردند که «پل مویرگی» مایع بین مهره‌های منفرد در حال شکل‌گیری است. اضافه کردن مایع بیشتر باعث شد که پل‌ها بزرگ‌تر شوند و همزمان با این اتفاق، سطح مهره‌ها بیشتر از قبل در تماس با آب قرار گرفتند و اثر اتصال افزایش یافت. با این حال، بخاطر اینکه سازه‌ها بزرگتر شدند، کاهش نیروهای مویینگی باعث افزایش اثر اتصال نشدند. تیم نتیجه گرفت که حتی اگر محتوای مرطوب تغییر کند، نیروهایی که مهره‌ها را به هم متصل می‌کنند تغییر نمی‌کنند.به گفته دانیل بن، یک فیزیکدان در دانشگاه آمستردام که در طول سال‌ها چندین آزمایش با ماسه انجام داده‌است، حباب‌های صابون تمایل دارند کروی باشند، زیرا این شکلی است که کل سطح را به حداقل می‌رساند و در نتیجه از کم‌ترین انرژی استفاده می‌کند. بن به یک متخصص در مورد آنچه که در ساخت قلعه شنی بی‌نظیر دخیل است تبدیل شده‌است. او در سال ۲۰۱۵ بهVice گفت: به همین ترتیب، مقدار کمی آب بین دو دانه شن یک پل مایع کوچک را تشکیل می‌دهد که سطح بین آب و هوا را به حداقل می‌رساند و اگر یکی از دانه‌ها نسبت به دیگری حرکت کند، به طور خودکار سطح را ایجاد می‌کند. این کار انرژی‌بر است و بنابراین مقاومت در برابر تغییر شکل وجود خواهد داشت.از لحاظ ریاضی، این نوع تراکم مویرگی-یعنی اینکه چگونه بخار آب از هوای محیط به طور خود به خود در داخل مواد متخلخل و یا بین سطوح تماس فشرده می‌شود-معمولا توسط یک معادله ابداع شده توسط سر ویلیام تامسون (بعدا لرد کلوین) توصیف می‌شود و اولین بار در یک مقاله در سال ۱۸۷۱عنوان شد. این یک معادله ماکروسکوپی است که با این وجود ثابت شده‌است که در مقیاس ۱۰نانومتر دقت بالایی دارد، اما عدم وجود توصیف کاملی که بتواند حتی در مقیاس کوچک‌تر نیز حساب شود، از مدت‌ها پیش فیزیکدانان را خسته کرده‌است.رطوبت معمول برای این نوع تراکم بین ۳۰ تا ۵۰درصد است، اما در مقیاس‌های مولکولی ۱ نانومتر یا کم‌تر (یک مولکول آب در حدود ۰.۳ نانومتر قطر دارد)، تنها یک یا دو لایه مولکولی از آب می‌تواند در داخل مویرگ‌های با ضخامت ۱ نانومتر جا بگیرد. در این مقیاس، معادله کلوین منطقی به نظر نمی‌رسید. این امر ممکن است برای ساخت قلعه‌های شنی مهم نباشد، اما تراکم مویینگی به بسیاری از صنایع میکروالکترونیک، دارویی و فرآوری غذا نیز مرتبط است. گیم و همکارانش راهی برای غلبه بر چالش‌های آزمایشی طولانی‌مدت مطالعه مویرگ‌ها در مقیاس مولکولی یافتند.گیم در سال ۲۰۱۰ جایزه نوبل فیزیک را به خاطر آزمایش‌های پیشگامانه اش بر روی گرافن، یعنی پوسته نازک کربن معمولی با ضخامت یک اتم، به دست آورد. فیزیک‌دانان تلاش کردند تا گرافن را از گرافیت جدا کنند (درست مانند آنچه که در مداد یافت می‌شود) ، اما گیم و همکارش در منچستر، کنستانتین نووسیلوف، روش جدیدی را با استفاده از نوار چسب اسکاچ برای جمع‌آوری دانه‌های ضخیم اتم از گرافیت ایجاد کردند. او همچنین جایزه نوبلIg را به خاطر کشف معلق سازی مستقیم دیامغناطیسی در آب به دست آورد؛ که شامل استفاده از آهن‌ربا برای معلق‌سازی یک قورباغه در آزمایشگاه بود. و او یک‌بار یک نوار چسبناک با الهام از gecko ایجاد کرد که به اندازه کافی قوی بود تا یک شخصیت اکشن اسپایدرمن را به طور نامحدود از سقف آویزان کند.برای این کار اخیر، تیم گیم با زحمت زیاد مویرگ‌های در مقیاس مولکولی را با لایه‌بندی بلورهای نازک از میکا و گرافیت بر روی یکدیگر، همراه با نوارهای باریک گرافن در بین هر لایه به‌عنوان فضاگر، ساخت. با این روش، این تیم مویرگ‌های با ارتفاع مختلف، از جمله مویرگ‌هایی که فقط یک اتم ارتفاع داشتند ساخت؛ این میزان برای متناسب کردن یک لایه از مولکول‌های آب، کوچک‌ترین ساختار ممکن این‌چنینی، کافی است.گیم و همکارانش دریافتند که معادله کلوین هنوز یک توصیف کیفی عالی از تراکم مویینگی در مقیاس مولکولی است-انتظارات متناقض، زیرا انتظار می‌رود که خواص آب در مقیاس ۱ نانومتر بیشتر گسسته و لایه‌بندی شود. ظاهرا در آن رژیم، تغییرات میکروسکوپی برای مویرگ‌ها وجود دارد که هر گونه اثرات اضافی که ممکن است در غیر این صورت موجب تجزیه معادله طبق انتظار شود را سرکوب می‌کند.او گفت: این یک شگفتی بزرگ بود. من انتظار فروپاشی کامل فیزیک سنتی را داشتم. معادله قدیمی به خوبی جواب داد. کمی نا امید کننده بود اما در عین حال برای حل این راز صد ساله بسیار هیجان‌انگیز بود.گیم گفت: « تئوری خوب اغلب فراتر از محدودیت‌های کاربردی آن عمل می‌کند. لرد کلوین یک دانشمند برجسته بود، کشف‌های زیادی کرد، اما حتی او قطعا از اینکه نظریه او-که در اصل لوله‌های با اندازه میلی متر را در نظر می‌گیرد-حتی در مقیاس تک اتمی هم وجود دارد شگفت‌زده شد. در واقع کلوین در مقاله اصلی خود دقیقا در مورد این عدم امکان اظهار نظر کرد. بنابراین کار ما، ثابت کرد که ادعای او همزمان صحیح و غلط بوده.»ترجمه این مقاله با استفاده از ربات مترجم آنلاین مقالات فیزیک انجام شده و به صورت محدود تحت بازبینی انسانی قرار گرفته‌است، در نتیجه ممکن است دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.