قام فريق دولي من الباحثين بتوثيق ظاهرة غير متوقعة في ديناميكا الموائع: قطرات الماء الموضوعة على أسطح مزيتة يمكن أن تخضع لانشطارات كولوم متكررة أثناء تبخرها. نُشرت الدراسة في Proceedings of the National Academy of Sciences، وتكشف أن قطرة بحجم 1 ميكرولتر يمكن أن تولد أكثر من 60 دورة انشطار في 30 دقيقة، منتجة نفاثات سائلة تتفتت إلى عشرات القطرات الدقيقة. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تقنيات جديدة للتصنيع على مقياس النانو.
ميكانيكا الظاهرة: الشحنة، التبخر، والتمزق الكهروستاتيكي ⚡
تستخدم التجربة قطرات من الماء منزوع الأيونات موضوعة على طبق بتري مطلي بطبقة من زيت السيليكون بسمك 0.5 ميكرومتر. أثناء السحب بالماصة، تمنح الكهربة بالتلامس القطرة شحنة أولية مقدارها +70 بيكوكولوم. عند التبخر، يقل الحجم بينما تبقى الشحنة ثابتة، مما يزيد من كثافة الشحنة السطحية. عندما يتجاوز التنافر الكهروستاتيكي التوتر السطحي، يبدأ الانشطار بعد حوالي 20 دقيقة. ينتج كل حدث نفاثة رفيعة تنقسم إلى 40 إلى 50 قطرة دقيقة في غضون ميكروثوانٍ. تاريخيًا، كان هذا السلوك يُلاحظ فقط في القطرات المعلقة، لأن القطرات الساكنة كانت مثبتة بخط التلامس. يزيل السطح المزيت هذا التثبيت، مما يسمح بعدم الاستقرار.
تصور ثلاثي الأبعاد: محاكاة ديناميكا الانشطار المتسلسل 🧊
لتخصص التصور العلمي، نقترح محاكاة ثلاثية الأبعاد متحركة تمثل القطرة على السطح المزيت، مع مؤشر بصري لكثافة الشحنة التي تزداد مع تناقص الحجم. يجب أن يُظهر الرسم المتحرك الانشطار الأول مع قذف النفاثة وتفتتها إلى قطرات دقيقة، مع تكرار الدورة بالحركة البطيئة. ستُدرج رسوم بيانية زمنية تقارن الشحنة الكهروستاتيكية مقابل التوتر السطحي، بالإضافة إلى منظر مقارن بين قطرة معلقة (تنشطر) وأخرى ساكنة تقليدية (لا تنشطر)، مما يسهل فهم الدور الحاسم للتزييت السطحي.
كيف يمكن لانشطارات كولوم المرصودة في القطرات الساكنة أن تحدث ثورة في طرق التصنيع النانوي الحالية من خلال السماح بالتحكم الدقيق في مورفولوجيا الهياكل النانوية؟
(ملاحظة: فيزياء الموائع لمحاكاة المحيط تشبه البحر: غير متوقعة ودائمًا ما ينفد ذاكرة الوصول العشوائي)