اللزوجة الفردية
Odd Viscosity
اللزوجة الفردية هي نوع غير مألوف من الاستجابة الميكانيكية للموائع، يظهر عندما يستطيع السائل توليد إجهاد يقع في اتجاه عرضي بالنسبة إلى التشوه أو التدفق الذي يتعرض له، من دون أن يؤدي هذا الجزء من اللزوجة إلى تبديد الطاقة بالطريقة المعتادة.
في السوائل التقليدية ترتبط اللزوجة عادة بالاحتكاك الداخلي وفقدان الطاقة على شكل حرارة. أما اللزوجة الفردية فتمثل جزءًا مختلفًا من استجابة السائل، يستطيع تغيير اتجاه القوى وحركة المائع من دون أن يبدد الطاقة مباشرة.
تُعرف الظاهرة أيضًا باسم لزوجة هول بسبب التشابه الرياضي بينها وبين تأثير هول، حيث تؤدي قوة أو حركة في اتجاه معين إلى استجابة في اتجاه عمودي عليها. وتظهر في أنظمة تكسر بعض أشكال التناظر، مثل السوائل الكمية في تأثير هول والموائع النشطة المكونة من جسيمات تدور باستمرار. (Annual Reviews)
ماذا تعني كلمة فردية؟
Odd
لا تشير كلمة فردية هنا إلى الأعداد الفردية.
في الفيزياء الرياضية يمكن تقسيم موتر اللزوجة إلى جزء متناظر وجزء مضاد للتناظر.
الجزء التقليدي يسمى أحيانًا اللزوجة الزوجية.
Even Viscosity
أما الجزء المضاد للتناظر فيسمى اللزوجة الفردية.
Odd Viscosity
ويعني ذلك أن تبديل اتجاهات معينة في العلاقة بين الإجهاد ومعدل التشوه يؤدي إلى تغير إشارة هذا الجزء من الاستجابة.
هذا الاختلاف الرياضي هو الذي يسمح للقوة اللزجة بأن تظهر في اتجاه عرضي، بدل أن تقتصر على مقاومة الحركة في اتجاهها المعتاد. (Annual Reviews)
ما هي اللزوجة التقليدية؟
إذا حركنا ملعقة في العسل نشعر بمقاومة كبيرة، بينما تكون المقاومة أقل بكثير في الماء.
هذه المقاومة مرتبطة باللزوجة.
في السائل التقليدي تتحرك طبقات السائل بسرعات مختلفة، وينشأ احتكاك داخلي بينها.
تعمل اللزوجة على تقليل الفرق في السرعة، وتحول جزءًا من الطاقة الميكانيكية إلى حرارة.
لهذا توصف اللزوجة التقليدية بأنها خاصية مبددة للطاقة.
Dissipative
كلما ازدادت اللزوجة التقليدية ازدادت الطاقة التي تفقدها الحركة بسبب الاحتكاك الداخلي.
ما المختلف في اللزوجة الفردية؟
في اللزوجة الفردية لا يكون الإجهاد في الاتجاه المتوقع فقط.
إذا تعرض السائل إلى قص في اتجاه معين، يمكن أن يظهر جزء من القوة في اتجاه عمودي على ذلك التشوه.
يمكن تشبيه الأمر بصورة تقريبية بجسم يتحرك إلى الأمام بينما يتلقى قوة جانبية، ولكن من المهم أن هذه القوة ليست احتكاكًا عاديًا.
والأغرب أن هذا الجزء من الاستجابة لا ينتج تبديدًا مباشرًا للطاقة.
لهذا توصف اللزوجة الفردية بأنها لزوجة غير مبددة.
Nondissipative Viscosity
لكن هذا لا يعني أن السائل كله عديم التبديد. فقد يحتوي المائع في الوقت نفسه على لزوجة تقليدية تبدد الطاقة ولزوجة فردية لا تفعل ذلك. (Annual Reviews)
كيف يمكن أن توجد لزوجة لا تبدد الطاقة؟
قد يبدو ذلك متناقضًا مع المعنى المعتاد للزوجة.
لكن كلمة اللزوجة في ميكانيكا الموائع تشير بصورة أوسع إلى العلاقة بين الإجهاد داخل السائل ومعدل تشوهه.
في اللزوجة التقليدية يكون الجزء من الإجهاد مرتبًا بطريقة تجعل القوة تعارض الحركة وتستهلك الطاقة.
أما في اللزوجة الفردية فيكون الإجهاد العرضي بحيث لا يؤدي حاصل ضرب القوة في معدل التشوه إلى فقدان صاف للطاقة.
وبالتالي تستطيع اللزوجة الفردية تغيير مسار الحركة وتوزيع الضغط وشكل الدوامات من دون أن تعمل بوصفها مصدر احتكاك إضافي بالمعنى التقليدي. (Annual Reviews)
التشابه مع تأثير هول
Hall Effect
في تأثير هول الكهربائي تتحرك الشحنات في اتجاه معين، لكن وجود مجال مغناطيسي يؤدي إلى ظهور استجابة كهربائية في الاتجاه العرضي.
وبطريقة مشابهة يمكن أن تؤدي اللزوجة الفردية إلى ظهور إجهاد ميكانيكي عرضي بالنسبة إلى اتجاه التدفق.
لهذا يسمى هذا النوع من اللزوجة أيضًا
Hall Viscosity
وقد بدأ الاهتمام بهذا المصطلح بصورة مبكرة في دراسة السوائل الكمية المرتبطة بتأثير هول. (APS Journals)
متى ظهرت الفكرة؟
من الدراسات الأساسية في تاريخ المجال بحث نشر عام 1995 بواسطة جوزيف أفرون ورودولف زايلر وبيتر زوغراف في مجلة Physical Review Letters.
كان عنوان الدراسة
Viscosity of Quantum Hall Fluids
درس الباحثون اللزوجة في الموائع الكمية التي تظهر تأثير هول، وبينوا وجود مساهمة لزجة غير مبددة للطاقة مرتبطة بالمجال المغناطيسي والبنية الهندسية للحالة الكمية. (APS Journals)
توسع المفهوم بعد ذلك من فيزياء تأثير هول إلى البلازما والموائع الفائقة والمواد النشطة والموائع الكيرالية.
كسر تناظر الانعكاس
Parity Symmetry
لفهم سبب ظهور اللزوجة الفردية يجب فهم فكرة الاتجاهية.
تخيل دوامة تدور في اتجاه عقارب الساعة.
إذا نظرنا إليها في مرآة، سيبدو اتجاه الدوران معاكسًا.
في نظام لا يميز بين اليمين واليسار يفترض أن تكون الصورتان الفيزيائيتان متكافئتين.
لكن بعض الأنظمة تمتلك اتجاه دوران مفضلًا.
عندها يقال إن تناظر الانعكاس مكسور.
هذه الخاصية مهمة جدًا لظهور اللزوجة الفردية، وخصوصًا في الموائع ثنائية الأبعاد. (Nature)
كسر تناظر انعكاس الزمن
Time-Reversal Symmetry
تخيل تسجيل فيديو لجزيئات تتحرك في سائل ثم تشغيله بالعكس.
في نظام بسيط عند الاتزان قد تكون القوانين المجهرية متوافقة بدرجة كبيرة مع عكس الزمن.
لكن إذا كانت جميع الجسيمات تدور باستمرار في الاتجاه نفسه بفعل محركات أو مجال خارجي، يصبح تشغيل الفيلم بالعكس مختلفًا فيزيائيًا عن النظام الحقيقي.
هذه الأنظمة بعيدة عن الاتزان ويمكن أن تكسر تناظر انعكاس الزمن.
يسمح اجتماع الاتجاهية وكسر تناظر الزمن بظهور معاملات نقل لا توجد في السوائل العادية، ومنها اللزوجة الفردية. (Nature)
الموائع الكيرالية
Chiral Fluids
تعني الكيرالية أن النظام يميز بين اتجاهين متعاكسين للدوران أو بين اليمين واليسار.
يمكن تخيل سائل يحتوي على عدد كبير من الجسيمات المجهرية، وكل جسيم يدور باستمرار في الاتجاه نفسه.
إذا دارت جميع الجسيمات مع عقارب الساعة، يصبح السائل مختلفًا عن نظام تدور فيه الجسيمات بعكس عقارب الساعة.
هذا الاتجاه الداخلي للدوران يستطيع تعديل القوانين الهيدروديناميكية للسائل.
وتعد هذه الموائع الكيرالية من أهم البيئات التي تدرس فيها اللزوجة الفردية حاليًا.
الموائع النشطة
Active Fluids
المائع النشط هو مائع يحتوي على مكونات تستهلك الطاقة باستمرار وتحولها إلى حركة.
قد تكون المكونات جسيمات صناعية تدور باستخدام مجال مغناطيسي، أو وحدات جزيئية تستخدم الطاقة الكيميائية، أو مكونات حيوية نشطة.
في عام 2017 نشر ديبارغيا بانيرجي وزملاؤه دراسة مهمة في Nature Communications بينت نظريًا كيف تؤدي الجسيمات ذاتية الدوران في مائع نشط كيرالي إلى ظهور اللزوجة الفردية.
بينت الدراسة أن اللزوجة الفردية تستطيع إحداث تدفق عرضي بالنسبة إلى الضغط المطبق، كما يمكنها تعديل الضغط والكثافة داخل الدوامات. (Nature)
جسيمات تدور باستمرار
تخيل آلاف الأسطوانات المجهرية الموجودة داخل سائل.
تدور جميعها في الاتجاه نفسه.
كل جسيم يحرك السائل المحيط به، وتتفاعل التدفقات الناتجة عن الجسيمات المختلفة مع بعضها.
على المستوى الكبير لم يعد السائل متساويًا تمامًا في الاتجاهين الدورانيين.
أصبح يمتلك كمية حركة زاوية داخلية.
يمكن أن يظهر تأثير هذا الدوران الجماعي في علاقة الإجهاد بمعدل التشوه، فينشأ جزء من اللزوجة يعمل في الاتجاه العرضي.
هذا هو أحد أكثر النماذج وضوحًا لفهم أصل اللزوجة الفردية في المواد النشطة. (Nature)
القوة العرضية
إذا تحرك جسم داخل سائل تقليدي ببطء، فإن القوة الرئيسية التي يتعرض لها تكون قوة مقاومة للحركة.
Drag Force
أما في مائع يمتلك لزوجة فردية فقد تسمح ظروف معينة بظهور مساهمة عرضية في القوة.
Lift Force
أي أن الجسم يمكن أن يشعر بقوة عمودية على اتجاه حركته.
أظهرت نماذج هيدروديناميكية لموائع ثنائية الأبعاد ذات لزوجة فردية أن هذه الاستجابات غير المتبادلة والقوى العرضية يمكن أن تظهر وفق شكل الجسم وظروف الحدود وتفاعل السائل مع الوسط المحيط. (APS Journals)
لماذا تكون الحدود مهمة جدًا؟
هناك خاصية دقيقة تجعل دراسة اللزوجة الفردية أكثر تعقيدًا مما قد يبدو.
في بعض الموائع ثنائية الأبعاد غير القابلة للانضغاط يمكن إدخال تأثير اللزوجة الفردية في تعريف الضغط داخل الجزء الداخلي من السائل.
لذلك قد لا يتغير مجال السرعة في داخل المائع بالطريقة التي نتوقعها مباشرة.
لكن التأثير يصبح ظاهرًا عند الحدود والأسطح الحرة والفقاعات والأجسام الموجودة داخل السائل.
ولهذا تعد دراسة الحدود واحدة من أهم الطرق لاكتشاف اللزوجة الفردية تجريبيًا. (APS Journals)
الفقاعة في مائع ذي لزوجة فردية
إذا وضعت فقاعة في تدفق قص تقليدي فإن شكلها يتحدد بواسطة الضغط واللزوجة والتوتر السطحي.
لكن إذا كان السائل يمتلك لزوجة فردية يمكن أن تتغير القوى عند سطح الفقاعة.
أظهر تحليل نظري منشور عام 2017 أن الشكل المستقر للفقاعة في تدفق ثنائي الأبعاد يمكن أن يعتمد بصورة مباشرة على قيمة اللزوجة الفردية.
وهذا اقترح طريقة لاستخدام شكل الحدود الحرة للكشف عن هذه الخاصية. (APS Journals)
الدوامات تصبح مختلفة
Vortices
للزوجة الفردية تأثير مهم في الدوامات.
في المائع النشط الكيرالي يمكن أن تربط اللزوجة الفردية بين مقدار الدوران المحلي وبين الضغط أو الكثافة.
لذلك قد تحتوي نواة الدوامة على كثافة مختلفة عن السائل المحيط بها.
تنبأت دراسة عام 2017 بأن اللزوجة الفردية يمكن أن تسبب زيادة في الكثافة والضغط داخل نوى الدوامات في بعض الموائع النشطة القابلة للانضغاط قليلًا. (Nature)
رؤية الظاهرة في المختبر
لم تبق اللزوجة الفردية مجرد تنبؤ رياضي.
في عام 2023 نُشرت تجربة في Communications Physics استخدمت قضبانًا غروية مجهرية ذات أطراف مغناطيسية.
جعل المجال المغناطيسي الخارجي القضبان تدور بصورة متزامنة.
تشكل بذلك مائع نشط كيرالي مكون من وحدات صغيرة دوارة.
لاحظ الباحثون ظهور دوامات بأحجام متعددة، كما وجدوا ارتباطًا بين مقدار دوران المائع والكثافة المحلية.
سمح ذلك بقياس اللزوجة الفردية في الجزء الداخلي من النظام تجريبيًا. (Nature)
لماذا تجمعت الجسيمات في مراكز الدوامات؟
في السائل العادي لا يوجد سبب عام يجعل الدوران وحده يولد زيادة في الكثافة داخل مركز الدوامة بالطريقة نفسها.
لكن الإجهاد الفردي يظهر عموديًا على الإجهاد القصي التقليدي.
في تجربة الجسيمات الدوارة أدى ذلك إلى ارتباط بين دوران السائل وتوزيع الضغط والكثافة.
لاحظ الباحثون تراكم الجسيمات باتجاه مراكز بعض الدوامات، واعتبروا العلاقة بين الدوامية والكثافة إحدى العلامات القابلة للقياس للزوجة الفردية. (Nature)
النقل الشبيه بتأثير هول
يمكن أن تؤدي اللزوجة الفردية أيضًا إلى حركة عرضية للمادة نفسها.
درست تجربة منشورة عام 2022 مائعًا نشطًا كيراليًا يتحرك خلال مصفوفة من العوائق.
وجد الباحثون أن التدفق لم يكن طوليًا فقط.
ظهر انتقال صاف للمادة في الاتجاه العرضي، بطريقة تذكر بتأثير هول الكهربائي.
أطلق الباحثون على الظاهرة نقلًا شبيهًا بهول ناتجًا عن اللزوجة الفردية. (PubMed Central (PMC))
الفرق بين تأثير هول الكهربائي ولزوجة هول
التشابه بين الظاهرتين رياضي ومفاهيمي، لكنه لا يعني أنهما الظاهرة نفسها.
في تأثير هول الكهربائي تتحرك شحنات كهربائية وتظهر استجابة كهربائية عرضية.
أما في اللزوجة الفردية فإن الكمية التي تستجيب هي الإجهاد الميكانيكي في المائع.
لا تحتاج جميع الموائع ذات اللزوجة الفردية إلى تيار كهربائي.
يمكن أن يكون مصدر كسر التناظر مجالًا مغناطيسيًا أو دورانًا داخليًا للجسيمات أو نشاطًا ميكانيكيًا مستمرًا.
اللزوجة الفردية في تأثير هول الكمي
Quantum Hall Effect
من أكثر التطبيقات الأساسية للزوجة الفردية وجودها في السوائل الإلكترونية ثنائية الأبعاد التي تدخل حالات تأثير هول الكمي.
في هذه الأنظمة يؤدي المجال المغناطيسي القوي إلى كسر تناظر انعكاس الزمن.
وتصبح اللزوجة غير المبددة مرتبطة بخصائص هندسية للحالة الكمية.
أظهرت دراسات لاحقة أن لزوجة هول ترتبط بالعزم المداري المتوسط للجسيمات، ويمكن أن تحمل معلومات عن البنية الطوبولوجية لبعض الحالات الكمية. (APS Journals)
هل اللزوجة الفردية كمية طوبولوجية دائمًا؟
لا.
في بعض أنظمة تأثير هول الكمي ترتبط لزوجة هول بخصائص هندسية وطوبولوجية عميقة للنظام.
لكن اللزوجة الفردية مفهوم أوسع بكثير.
يمكن أن تظهر أيضًا في الموائع النشطة الكيرالية التي لا تكون أنظمة كمية طوبولوجية.
لذلك لا يعني العثور على لزوجة فردية بالضرورة أن المادة تمتلك حالة طوبولوجية.
يعتمد المعنى الفيزيائي للمعامل على النظام الذي يظهر فيه. (Annual Reviews)
اللزوجة الفردية في البلازما
يمكن أن تظهر استجابات لزجة غير مبددة أيضًا في البلازما الموجودة تحت تأثير مجال مغناطيسي.
تتحرك الجسيمات المشحونة في مدارات نتيجة القوة المغناطيسية، فينشأ اتجاه مفضل داخل النظام.
لهذا توجد صلة رياضية بين بعض معاملات النقل في البلازما واللزوجة المعروفة في أنظمة تأثير هول.
وقد استخدمت هذه الروابط لتوحيد فهم ظواهر كانت تدرس سابقًا بصورة منفصلة في البلازما والسوائل الكمية والبلورات السائلة. (ScienceDirect)
هل يمكن أن تظهر في أنظمة حية؟
توجد أسباب نظرية تجعل الأنظمة البيولوجية النشطة مرشحة لإظهار استجابات مشابهة.
فالخلايا تحتوي على محركات جزيئية تستهلك الطاقة بصورة مستمرة.
كما توجد أنظمة بيولوجية تتكون من تراكيب تدور أو تتحرك بصورة كيرالية.
وذكرت الدراسات المتعلقة بالموائع النشطة أمثلة مثل الأغشية التي تحتوي على جزيئات كبيرة دوارة وبعض المستعمرات الميكروية والحيوية التي تنتج أنماطًا دورانية جماعية.
لكن وجود حركة دورانية في نظام حي لا يكفي وحده لإثبات وجود لزوجة فردية، بل يجب قياس العلاقة المحددة بين الإجهاد ومعدل التشوه. (Nature)
الفرق بين اللزوجة الفردية والمرونة الفردية
Odd Elasticity
الظاهرتان قريبتان رياضيًا لكنهما ليستا الشيء نفسه.
المرونة الفردية تصف العلاقة غير التبادلية بين الإجهاد والتشوه في مادة مرنة.
أما اللزوجة الفردية فتصف العلاقة بين الإجهاد ومعدل التشوه في مائع.
في المرونة نتعامل أساسًا مع مقدار تغير شكل المادة.
أما في اللزوجة فالمهم هو مدى سرعة تغير الشكل.
وتندرج الظاهرتان ضمن إطار أوسع لدراسة الاستجابات المضادة للتناظر في المواد النشطة وغير المتوازنة. (Annual Reviews)
هل اللزوجة الفردية تعني أن السائل يدور؟
ليس بالضرورة.
قد يكون الدوران المجهري أحد الآليات التي تنتج اللزوجة الفردية، لكنه ليس تعريفها.
التعريف يتعلق بمعامل الاستجابة بين الإجهاد ومعدل التشوه.
قد تمتلك جسيمات النظام دورانًا داخليًا يولد المعامل الفردي، كما في الموائع النشطة الكيرالية.
وفي أنظمة أخرى يمكن أن يكون السبب مجالًا مغناطيسيًا وبنية كمية، كما في سوائل تأثير هول.
لذلك يجب التمييز بين مصدر الظاهرة والظاهرة نفسها.
هل تغير سرعة تدفق السائل؟
أحيانًا، ولكن ليس في جميع الحالات.
تعتمد إمكانية رؤية تأثير اللزوجة الفردية في مجال السرعة على قابلية السائل للانضغاط وهندسة النظام وشروط الحدود.
في بعض التدفقات ثنائية الأبعاد غير القابلة للانضغاط لا تغير اللزوجة الفردية السرعة في الجزء الداخلي، رغم أنها تعدل الإجهاد والضغط عند الحدود.
وفي أنظمة أخرى، وخصوصًا عند وجود انضغاط أو عوائق أو أسطح حرة، يمكنها إحداث تغييرات واضحة في التدفق. (APS Journals)
هل تسبب حرارة؟
المساهمة الفردية المثالية في موتر اللزوجة لا تبدد الطاقة إلى حرارة.
وهذا من أهم الفروق بينها وبين اللزوجة القصية التقليدية.
لكن التجارب الواقعية تحتوي عادة على الاثنين معًا.
يمكن أن يمتلك المائع لزوجة تقليدية تحول جزءًا من الطاقة إلى حرارة، بينما تضيف اللزوجة الفردية استجابة عرضية غير مبددة.
ولهذا لا ينبغي وصف المائع ذي اللزوجة الفردية بأنه مائع بلا احتكاك.
هل هي اللزوجة الفائقة؟
لا.
اللزوجة الفردية لا تعني أن قيمة اللزوجة أصبحت شديدة الارتفاع أو شديدة الانخفاض.
ولا تعني أنها نوع من السيولة الفائقة.
Superfluidity
السيولة الفائقة ظاهرة مختلفة تتعلق بقدرة بعض الموائع الكمية على التدفق بخصائص استثنائية وبمقاومة لزجة منخفضة للغاية.
أما اللزوجة الفردية فهي معامل استجابة عرضي يمكن أن يوجد حتى في نظام يحتوي في الوقت نفسه على تبديد لزج عادي.
ديناميكا الجسيمات داخل المائع
بدأ الباحثون مؤخرًا تطوير نماذج حسابية تسمح بمحاكاة عدد كبير من الجسيمات المغمورة في مائع يمتلك لزوجة فردية.
في عام 2023 وسع باحثون طريقة ديناميكا ستوكس التقليدية لتشمل التأثيرات الناتجة عن اللزوجة الفردية.
يسمح ذلك بدراسة كيفية تغير حركة العديد من الجسيمات وتفاعلاتها الهيدروديناميكية عندما يصبح الوسط نفسه غير متبادل. (DOI)
موجات سطحية غير متناظرة
يمكن للزوجة الفردية أيضًا أن تغير الموجات الموجودة على السطح الحر للسائل.
تعدل هذه اللزوجة شروط الإجهاد عند السطح.
وفي نماذج المياه الضحلة يمكن أن يظهر تأثيرها بطريقة تشبه التوتر السطحي، لكن بصورة تعتمد على اتجاه انتشار الموجة.
أظهرت دراسة في Physical Review Fluids أن تأثير اللزوجة الفردية يمكن أن يكون مختلفًا للموجات المتحركة يمينًا ويسارًا بسبب كسر تناظر الانعكاس. (APS Journals)
اللاتبادلية
Nonreciprocity
اللاتبادلية تعني أن الاستجابة من الحالة الأولى إلى الثانية لا تطابق بالضرورة الاستجابة عند عكس الأدوار.
وهي فكرة مهمة جدًا في المواد النشطة.
تشير أبحاث حديثة إلى علاقة وثيقة بين الموائع الكيرالية غير المتبادلة واللزوجة الفردية.
وفي نماذج للجزيئات ذاتية الدوران يمكن للاتبادلية أن تظهر حتى قبل إدخال تفاعلات معقدة بين الجسيمات، لأن الاتجاه الداخلي للدوران يميز بين الحركة وعكسها. (PubMed Central (PMC))
الاضطراب النشط
Active Turbulence
الاضطراب النشط هو حركة فوضوية شبيهة بالدوامات تنشأ في المواد التي تحتوي على وحدات تستهلك الطاقة بصورة مستمرة.
يختلف عن الاضطراب التقليدي في أن مصدر الطاقة قد يكون موزعًا بين الجسيمات المجهرية نفسها.
أظهرت تجربة عام 2023 أن الاضطراب النشط واللزوجة الفردية يمكن أن يظهرا في النظام الكيرالي نفسه.
تشكلت دوامات متعددة الأحجام، وفي الوقت نفسه أمكن قياس العلاقة بين الدوامية والكثافة المرتبطة باللزوجة الفردية. (Nature)
لماذا يهتم بها مهندسو المواد؟
تسمح الاستجابة العرضية بتصميم مواد وسوائل تتعامل مع القوة بطرق غير موجودة في المواد السلبية العادية.
يمكن نظريًا استخدام هذه الخصائص لتوجيه الحركة أو الجسيمات، وإنشاء أنظمة ميكروفلويدية غير متبادلة، والتحكم في الدوامات، وتصميم مكونات تحول الحركة الطولية إلى حركة عرضية أو دورانية.
اقترحت الدراسات المبكرة للموائع النشطة الكيرالية إمكانية استغلال الاستجابة العرضية لصنع آليات مجهرية تحول الحركة الخطية إلى دوران والعكس. (Nature)
الروبوتات المجهرية
Microrobots
تعد الجسيمات المغناطيسية الدوارة المستخدمة في تجارب الموائع الكيرالية قريبة من بعض الأنظمة المستخدمة في أبحاث الروبوتات المجهرية.
إذا أمكن التحكم في الخصائص الهيدروديناميكية الجماعية لهذه الجسيمات فقد لا يحتاج كل روبوت مجهري إلى التحكم فيه بصورة مستقلة.
يمكن بدلًا من ذلك استغلال التفاعلات الجماعية والدوامات واللزوجة الفردية لتوجيه المواد أو الجسيمات داخل السائل.
ولهذا أشارت التجارب الحديثة إلى أهمية هذه الظواهر في تصميم أنظمة ميكروية ذات سلوك جماعي ذاتي التنظيم. (Nature)
لماذا يصعب قياس اللزوجة الفردية؟
السبب الأول أن تأثيرها قد يختفي من بعض قياسات التدفق الداخلي البسيطة.
والسبب الثاني أن السائل يمتلك عادة لزوجة تقليدية أقوى أو تأثيرات أخرى يمكن أن تخفي الإشارة.
كما أن القوى عند الحدود والتوتر السطحي والاحتكاك مع الركيزة وانضغاط السائل كلها عوامل يجب فصلها عن تأثير اللزوجة الفردية.
لذلك يبحث العلماء عن مؤشرات أكثر تحديدًا، مثل تغير شكل الحدود الحرة، والعلاقة بين الكثافة والدوامية، والقوة العرضية، والنقل الشبيه بتأثير هول. (APS Journals)
هل يمكن أن تكون قيمة اللزوجة الفردية سالبة؟
علامة معامل اللزوجة الفردية ترتبط باتجاه الكيرالية.
إذا عكسنا اتجاه دوران جميع الجسيمات في مائع كيرالي فقد تنعكس إشارة الاستجابة الفردية.
وهذا يختلف عن اللزوجة التقليدية، حيث ترتبط الإشارة الموجبة عادة بضرورة تبديد الطاقة وفق قوانين الديناميكا الحرارية.
بما أن اللزوجة الفردية لا تساهم بالطريقة نفسها في إنتاج الإنتروبيا، فلا تخضع علامتها للقيد نفسه.
وهذه الخاصية من الأسباب التي تجعلها مفيدة في وصف المواد التي تميز بين الاتجاهين الدورانيين. (Annual Reviews)
لماذا تعد اللزوجة الفردية ظاهرة غير مألوفة؟
في الحياة اليومية نتعلم ضمنيًا أن اللزوجة تعني مقاومة الحركة.
لكن اللزوجة الفردية تكشف أن موتر اللزوجة يمكن أن يحتوي على معلومات أكثر بكثير من مجرد مقدار الاحتكاك.
يمكن للسائل أن يمتلك استجابة لزجة تغير اتجاه القوة من دون استهلاك الطاقة مباشرة.
كما يمكن للخاصية نفسها أن تظهر في أنظمة مختلفة جذريًا، من الإلكترونات في تأثير هول الكمي إلى جسيمات غروية تدور ميكانيكيًا.
وهذا يجعل اللزوجة الفردية مثالًا واضحًا على كيفية ظهور القانون الرياضي نفسه في مواد تبدو غير مرتبطة ببعضها.
ما الذي لا يزال قيد البحث؟
لا تزال كيفية قياس اللزوجة الفردية بصورة موثوقة في الأنظمة المختلفة موضوعًا بحثيًا نشطًا.
كما يحاول الفيزيائيون تحديد الظروف التي يمكن فيها فصل تأثيرها تمامًا عن القوى الحدودية والاحتكاك والاستجابات غير المتبادلة الأخرى.
وتوجد أسئلة حول دورها في المواد البيولوجية النشطة، والموائع المعقدة، والبلازما، والمواد الطوبولوجية والأنظمة الميكروية الاصطناعية.
كما أن العلاقة بين اللزوجة الفردية واللاتبادلية ليست متطابقة في جميع الأنظمة، ولذلك تستمر الدراسات الحديثة في تطوير الإطار النظري الذي يربط بين التناظر والنشاط والدوران ومعاملات النقل العرضية. (Annual Reviews)
المصادر
Fruchart M, Scheibner C, Vitelli V. Odd Viscosity and Odd Elasticity. Annual Review of Condensed Matter Physics. 2023;14:471–510. (Annual Reviews)
Annual Review of Condensed Matter Physics
Avron JE, Seiler R, Zograf PG. Viscosity of Quantum Hall Fluids. Physical Review Letters. 1995;75:697–700. (APS Journals)
Banerjee D, Souslov A, Abanov AG, Vitelli V. Odd viscosity in chiral active fluids. Nature Communications. 2017;8:1573. (Nature)
Ganeshan S, Abanov AG. Odd viscosity in two-dimensional incompressible fluids. Physical Review Fluids. 2017;2:094101. (APS Journals)
Mecke J et al. Simultaneous emergence of active turbulence and odd viscosity in a colloidal chiral active system. Communications Physics. 2023;6:324. (Nature)
Zhao Z et al. Odd viscosity-induced Hall-like transport of an active chiral fluid. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022. (PubMed)
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق