Lehigh Üniversitesi'ndeki bilim insanları, bir saat kum saati gibi görünen ortamlarda manyetik tork uygulanarak kum benzeri parçacıkların topluca yer çekimine meydan okurcasına tepelere tırmanmasını sağlayabiliyor. Doğa İletişim dergisinde yayınlanan Eylül ayındaki bir makaleye göre, bu keşif, kumun fiziksel açıdan oldukça ilginç bir materyal olduğunu da gösteriyor. Kova içinde toplanan kuru kum, sıvı gibi akarken, aynı zamanda üstüne konulan bir kayanın ağırlığını da destekleyebiliyor, yüksekliği düşük kum taneleri bile cismesinden daha yoğun olan bu kaya yükünü taşıyabiliyor. Bu nedenle kum, sıvı ve katı hareket eden bir malzeme olarak tanımlanıyor. Fizik kanunlarını reddeden kum taneleri, akışkan "sıvı" durumundayken bireysel olarak hareket eder ve ne zaman birlik olunması gerektiğinde anında bir araya gelerek tuhaf bir "sayılarla güçlenme" etkisi yaratır.
Yayalarından birini tahmin edemeyiz. Bu kısmen, küçük bir kütlenin içindeki kum tanelerinin çokluğundan kaynaklanmaktadır, her biri aynı anda birkaç komşu tane ile etkileşime girecektir ve bu komşular her an değişir. Bu nedenle, hiçbir süper bilgisayar bile zamanla kum taneciklerinin hareketlerini takip edemez, bu yüzden granüler ortamda akışın fiziksel nedenleri araştırmanın son derece önemli bir alan olduğunu söyleyebiliriz.
Ancak, topluca tepelere tırmanan kum taneleri? Bu gerçekten tuhaf bir davranış. Lehigh Üniversitesi mühendisi James Gilchrist, "mikro rulolar" deneylerinde bu tuhaf fenomenle karşılaştı ve bunu daha fazla incelemek zorunda kaldı.
Deneylerde, Gilchrist ve ekibi, neodim mıknatısları motorlu bir tekerleğe 90 derecelik aralıklarla ekleyerek dışarıya bakan kutupları sırayla değiştirdiler. Cihaz ayrıca bir örnek tutucu ve sabit bir konumda bir USB mikroskobu içeriyordu. Mikro rulolar, etanol içeren bir cam şişede askıya alınarak toz veya kaplanmamış parçacıklardan ayrılmak için bir mıknatıs kullanılarak temizlendi. Mikro rulolar temizlendikten sonra kurutuldu, taze etanole askıya alındı ve örnek tutucuya yüklendi. Titreşimli bir motor örnekleri hareketlendirdi ve manyetik tork uygulamak için motorlu tekerlek harekete geçirildi. Bir Gaussmetre manyetik alanın oryantasyona göre bağıl gücünü ölçtü.
Sonuçlar Her mikro rulolar manyetik torka yanıt olarak dönmeye başladı, kısa süreli çiftler oluşturdu ve sonra bölündü, artan manyetik kuvvet, parçacık kohesiyonunu arttırdı. Bu da mikro ruloların daha hızlı hareket etmesini sağladı ve ne kadar çelişkili olursa olsun topluca tepelere tırmanmalarını sağladı. Manyetik tork olmadığında mikro rulolar normal şekilde aşağı akıyordu. Torka bağlı bu hareket, araştırmacılar tarafından bir "negatif dinlenme açısı" terimi koymasına neden olan, negatif sürtünme katsayısıyla oluşan bir sonuçtu.
"Bu terimleri kimse zamanına kadar kullanmazdı" diyor Gilchrist. "Onlar mevcut değillerdi. Ama bu tanemlerin nasıl tepelere tırmandığını anlamak için onların olduğunu hesapladık. Eğer negatif bir dinlenme açınız varsa, o zaman bir negatif sürtünme katsayısına sahip olmalısınız. Bu tane akış denklemleri bu tür şeyleri dikkate alacak şekilde türetilmemişti, ama hesapladıktan sonra, ortaya çıkan, negatif bir sürtünme katsayısı olan bir beklemezden gelen bir görünür kohesiyon oldu."
Bu ilke deneysel olarak ilginç bir kanıt olup, ileride maddelerin nasıl karıştırılacağını veya ayrılacağını kontrol etmek için yeni yollar açabilir ve potansiyel sürü akıcılığı mikro robotik uygulamalarını getirebilir. Bilim insanları zaten lazer kesimleri ile küçük merdivenler yapmaya başladı ve mikro ruloların bu merdivenler üzerinde tırmanıp inmesini videoya çekti. Bir mikro rulonun, her adımın yüksekliğini aşamayacağını, ancak birlikte çalışan birçok parçacığın bunu yapabileceğini belirtiyor Gilchrist.