Bilim İnsanları Hareket Eden ve Kendini İyileştiren Kristaller Buldu
Yeni keşfedilen bu dönen kristaller, bükülüyor, kırılıyor ve kendilerini onarıyor, katı maddenin garip yeni bir yönünü ortaya koyuyor.
İnanması zor gibi görünse de, dönen bileşenlerden yapılmış kristaller gerçek. Aachen, Düsseldorf, Mainz ve Wayne State Üniversitesi’nden araştırmacılar bu sıra dışı malzemeleri incelediler ve bir dizi şaşırtıcı davranış keşfettiler. Kristaller kolayca ayrı parçalara ayrılabilir, alışılmadık iç sınırlar oluşturabilir ve araştırmacıların kasıtlı olarak etkileyebileceği kusurlar geliştirebilir. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde (PNAS) yayınlanan makalede ekip, “enine etkileşim” kuvvetleri olarak bilinen kuvvetler tarafından yönetilen sistemlerde yeni özellikleri tahmin etmek için birleşik bir teorik yaklaşımın nasıl kullanılabileceğini açıklıyor.
Malzemelerde ve Canlı Sistemlerde Enine Kuvvetler
“Enine kuvvetler” laboratuvar malzemeleriyle sınırlı değildir. Belirli manyetik katılar gibi mühendislik sistemlerinde ortaya çıkabilirler, ancak canlı organizmalarda da gözlemlenmişlerdir. MIT’de yapılan bir deneyde, bilim insanları deniz yıldızı embriyoları gruplarını incelediler ve yüzme hareketlerinin birbirlerini etkilediğini buldular. Bu etkileşim, embriyoların birbirlerinin etrafında dairesel yollar izlemesine neden oldu. Bu davranışın biyolojik rolü bilinmemekle birlikte, hem doğal hem de sentetik örnekler önemli bir özelliği paylaşıyor: etkileşim halindeyken dönen nesneleri içeriyorlar.
Enine etkileşimli parçacıklardan oluşan dönen bir kristalin, kendiliğinden birden fazla dönen kristal parçasına ayrılması. Kaynak: Wayne State Üniversitesi/Zhi-Feng Huang
Dönen Parçacıklar Katı Bir Cisim Oluşturduğunda
Heinrich Heine Üniversitesi Düsseldorf (HHU) Teorik Fizik Enstitüsü II’den Profesör Dr. Hartmut Löwen, bu kolektif hareketin beklenmedik sonucunu şöyle açıklıyor: “Birçok dönen bileşen elementten oluşan bir sistem, sezgisel olmayan, niteliksel olarak yeni bir davranış sergiliyor: Yüksek konsantrasyonlarda, bu nesneler ‘garip’ malzeme özelliklerine sahip rotorlardan oluşan katı bir cisim oluşturuyor.”
Bu alışılmadık özelliklerden birine “garip elastikiyet” denir. Günlük malzemelerde, bir katı cismi çekmek, uygulanan kuvvetle aynı yönde uzamasına neden olur. Garip elastik bir malzemede, çekme hiç uzamaya neden olmaz. Bunun yerine, malzeme bükülerek tepki verir.
Parçalanıp Tekrar Birleşen Kristaller
Bu bükülen katı cisimler, herhangi bir dış tetikleyici olmadan da parçalanabilir. Dönen bileşenler birbirine yeterince güçlü bir şekilde sürtünürse, kristal birçok daha küçük dönen parçaya ayrılabilir. Daha da çarpıcı olanı ise bu parçaların tekrar bir araya gelip kristal yapısını yeniden oluşturabilmesidir.
Bu davranışı açıklamak için, Wayne State Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nden Profesör Dr. Zhi-Feng Huang liderliğindeki bir grup, ilgili yazar Profesör Löwen ile birlikte, farklı uzunluk ölçeklerindeki süreçleri birbirine bağlayan bir teori geliştirdi. Bu çerçeveyi kullanan bilgisayar tabanlı model hesaplamaları, bu garip malzemelerin nasıl davrandığını ortaya koydu ve olası gelecekteki uygulamalara işaret etti.
Beklentileri Aşan Kristal Büyümesi
Araştırmacılar, enine etkileşimlerin baskın olduğu büyük kristallerin daha küçük dönen birimlere ayrılma eğiliminde olduğunu buldular. Aynı zamanda, daha küçük kristaller belirli bir boyut sınırına ulaşana kadar büyüyor. Bu model, kristallerin koşullar elverişli olduğunda, yani termodinamik faktörler büyümeyi teşvik ettiğinde, sürekli olarak büyüdüğü kristal büyümesinin olağan görüntüsüyle çelişiyor.
Profesör Huang bu sonucun önemini şöyle açıklıyor: “Bu sürecin altında yatan ve kritik parçaların boyutu ile dönme hızları arasındaki ilişkiyi belirleyen doğanın temel bir özelliğini keşfettik.”
Hareketli Kusurlar ve Ayarlanabilir Özellikler
DWI – Leibniz Etkileşimli Malzemeler Enstitüsü ve RWTH Aachen Üniversitesi’nden Profesör Dr. Raphael Wittkowski, bir diğer önemli bulguyu vurguluyor: “Ayrıca, kristallerdeki kusurların kendi dinamiklerini nasıl sergilediğini de gösterdik. Bu tür kusurların oluşumu dışarıdan etkilenebilir, bu da kristallerin özelliklerinin kullanım uygulamaları açısından özel olarak kontrol edilmesini sağlar.”
Ortak yazarlardan Mainz Üniversitesi Yardımcı Doçenti Dr. Michael te Vrugt’a göre, bu durum tek bir malzeme sınıfının çok ötesine uzanıyor. “Geniş kapsamlı teorimiz, bu tür enine etkileşimleri gösteren tüm sistemleri kapsıyor. Olası uygulamalar, kolloid araştırmalarından biyolojiye kadar uzanıyor,” diyor.
Profesör Löwen de pratik olasılıklara işaret ediyor: “Model hesaplamaları somut uygulama potansiyelini gösteriyor. Bu yeni kristallerin yeni elastik özellikleri, örneğin yeni teknik anahtarlama elemanları icat etmek için kullanılabilir.”
Arka Plan: Merkezi ve Enine Kuvvetler
Fizikte, iki kütle arasındaki yerçekimi veya yüklü parçacıklar arasındaki Coulomb kuvveti gibi iyi bilinen etkileşimler merkezi kuvvetler olarak sınıflandırılır. Bu kuvvetler, iki nesnenin merkezlerini birleştiren çizgi boyunca etki eder ve onları birbirine yaklaştırır veya uzaklaştırır.
Buna karşılık, enine etkileşimler daha yakın zamanda tanımlanmış bir olgudur. Bu durumda, iki nesne arasındaki kuvvet, merkezlerini birleştiren çizgiye dik olarak etki eder. Sonuç olarak, nesneler kendiliğinden birbirlerinin etrafında dönmeye başlar ve bu da yeni incelenen dönen kristallerin temelini oluşturan kendine özgü hareketi yaratır.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Fizikçiler Gerçekten Görebileceğimiz Bir Zaman Kristali Yaptı