کنترل اپتیکی حرکتِ گرافیتِ مغناطیس

شناوری مغناطیسی برای تنوعی از اشیاء، از قطارها گرفته تا قورباغه‌ها، به نمایش درآمده است، اما تاکنون کسی اقدام به توسعه‌ی یک فعال کننده‌ی بر پایه‌ی مغناطیس-شناوری که مقداری انرژی از چشمه‌ای خارجی را به حرکت تبدیل کند نکرده بود. اکنون در مطالعه‌ای جدید، محققین برای نخستین بار از یک لیزر برای کنترل حرکت یک دیسک گرافیتیِ به طور مغناطیسی شناور استفاده کرده‌اند. لیزر با تغییر دمای دیسک می‌تواند ارتفاع شناوری دیسک را تغییر دهد و آن را در یک جهت کنترل شده حرکت دهد که دارای این پتانسیل هست که در مقیاس بزرگ به عنوان یک سیستم حمل و نقلِ انسان که با نور رانده می‌شود مورد استفاده قرار گیرد. هم‌چنین، نور لیزر یا آفتاب می‌تواند باعث شود که دیسکِ شناور با سرعتی متجاوز از دویست دور در دقیقه دور خود بچرخد که این می‌تواند منجر به ساخت نوع جدیدی از سیستم تبدیل انرژی نور شود.
محققین، دکتر ماسایوکی کوبایاشی و پروفسور جیرو آبه از دانشگاه آیوآما گاکوین در کاناگاوا در ژاپن (آبه هم‌چنین در CREST، آژانس علوم و فن‌آوری ژاپن در توکیو، مشغول است)، مطالعه‌اشان روی کنترل اپتیکی حرکتِ گرافیتِ مغناطیس-شناور را در یک شماره‌ی اخیر ژورنال انجمن شیمی آمریکا منتشر نمودند.

توضیح شکل 1: (a) چیدمان آزمایشی یک دیسک گرافبتی به قطر سه میلیمتر، شناور روی آهن‌رباهای NdFeB که طوری چیده شده‌اند که در جهت‌های متناوب در کنار هم قرار گیرند. (b) لیزری دیسک را در جهت پرتو نور حرکت می‌دهد
آبه بیان داشت: «مهم‌ترین نکته در این کار، موفقیت به دست آمده برای یک تکنیک کنترل حرکت آنی است که می‌تواند برای نخستین بار در جهان، یک ماده دیامغناطیسِ به طورِ مغناطیسی شناور را بدون تماس حرکت دهد. از آن جا که این تکنیک، بسیار ساده و اساسی است انتظار می‌رود در تکنیک‌های مختلف زندگی روزانه مثل سیستم‌های حمل و نقل و سرگرمی و نیز فعال سازهای نوری و سیستم‌های تبدیل انرژی نورانی کاربرد داشته باشد.»

توضیح شکل2: (a) یک لیزر باعث می‌شود که یک دیسک گرافیتیِ به طور مغناطیسی شناور، بچرخد (قاب‌های تصویری از فیلم مذکور در توضیح شکل قبل گرفته شده است). (b) لیزر باعث می‌شود که دما، آن‌چنان که توسط تصاویر فروسرخ دیسک اندازه گیری شده است، به هنگام پرتوافکنی لیزر (ردیف بالا) و بعد از پایان پرتوافکنی (ردیف پایین) تغییر کند.
آن‌چنان که محققین توضیح می‌دهند، شناوری مغناطیسی بر اثر خاصیت دیامغناطیسی اشیاء اتفاق می‌افتد که تحت این خاصیت، میدان‌های مغناطیسی را دفع می‌کنند. هرچند همه‌ی مواد دارای مقداری خاصیت دیامغناطیسی هستند، این خاصیت ضعیف‌تر از آن است که اجازه دهد آنها به طور مغناطیسی شناور بمانند. شناوری مغناطیسی تنها هنگامی رخ می‌دهد که خواص دیامغناطیسی یک ماده قوی‌تر از خواص فرومغناطیسی و پارامغناطیسی آن (که جاذب میدان‌های مغناطیسی است) باشند. یکی از قوی‌ترین مواد دیامغناطیسی گرافیت است.
به این منظور که یک شیء به طور مغناطیسی شناور بماند تنها لازم نیست مجموع جبری نیروی مغناطیسی آن دافع باشد بلکه هم‌چنین لازم است بزرگی نیروی دفع کننده بزرگ‌تر از وزن شیء باشد. ارتفاعی که در آن یک ماده‌ی دیامغناطیس شناور می‌ماند را توسط دو عامل می‌توان کنترل کرد: میدان مغناطیسی اِعمال شده و خواص دیامغناطیسی خودِ ماده. موقعیت شناوری مواد دیامغناطیس قبلاً با تغییر میدان مغناطیسی اِعمال شده کنترل شده است، اما تاکنون کسی به طور موفق حرکت مغناطیس-شناوری را از طریق دوم، با تغییر خواص دیامغناطیسی ماده با محرکی مثل دما، نور، یا صدا، کنترل نکرده بود.
در این جا محققین دقیقاً همین کار را با استفاده از یک لیزر برای کنترلِ برگشت‌پذیرِ دمای یک دیسک گرافیتیِ شناور روی بلوکی از آهن‌رباهای دائمی انجام دادند. آن‌ها نشان دادند که هم‌چنان که دمای گرافیت افزایش می‌یابد ارتفاع شناوری آن کاهش می‌یابد، و بر عکس. محققین توضیح می‌دهند که تغییر در دما باعث تغییری در فروگیری مغناطیسی گرافیت، یا میزانی که مغناطیس شدگی آن به یک میدان مغناطیسیِ اِعمال شده واکنش نشان می‌دهد، می‌شود. در سطح اتمی، لیزر به خاطر اثر فتوالکتریک، تعداد الکترون‌هایی را که در گرافیت به طور گرمایی تحریک شده‌اند افزایش می‌دهد. هر چه این الکترون‌ها بیش‌تر باشند خواص دیامغناطیسی گرافیت ضعیف‌تر است و ارتفاع شناوری آن کم‌تر است.
توضیح فیلم مذکور: این فیلم نمایش‌هایی است از یک دیسک گرافیتی دیامغناطیسیِ در حال حرکت در جهتی خطی و در حال چرخش توسط یک لیزر، و در حال چرخش توسط آفتاب. به طور بالقوه، یک دیسک گرافیتیِ به اندازه‌ی کافی بزرگ می‌تواند به صورت نوعی جدید از سیستم حمل و نقل انسانی هدایت شده با نور مورد استفاده قرار گیرد.
محققین، علاوه بر کنترل ارتفاع گرافیت شناور-مغناطیس، دریافتند که می‌توانند هم‌چنین گرافیت را وادار به حرکت در هر جهت کنند و آن را با تغییر دادن جای پرتوافکنی بچرخانند. در حالی که لیزر در زمان کنترل ارتفاع دیسک گرافیتی، درست در مرکز دیسک هدف‌گیری شد، جا به جا کردن آن به سمت لبه‌ی دیسک توزیع دما و بنابراین توزیع فروگیری مغناطیسی را به گونه‌ای تغییر می‌دهدکه توازن نیروی دافعه مختل می‌شود و گرافیت در همان جهت پرتو نور حرکت می‌کند.
محققین برای چرخاندن دیسک گرافیتی شناور، آهن‌رباهای منشور شکلِ مستطیلی زیر دیسک را با دسته‌ای از آهن‌رباهای استوانه‌ای شکل جای‌گزین کردند و مجدداً لیزر را به طرف لبه‌ی دیسک کشاندند. تغییر توزیع دما باعث می‌شود که دیسک گرافیتیِ شناور، با جهت و سرعت چرخشی وابسته به مکان پرتوافکنی، بچرخد. چرخش هم‌چنین هنگامی رخ می‌دهد که وسیله، در معرض آفتاب قرار گیرد. با تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گردشی، دیسک می‌تواند سرعت چرخشی متجاوز از دویست دور در دقیقه به دست آورد که این امر می‌تواند آن را برای کاربردهایی نظیر توربین‌هایی که از طریق اپتیکی چرخانده می‌شوند سودمند سازد.
محققین پیش‌بینی می‌کنند که توانایی کنترل حرکت مغناطیس-شناور پایه با لیزر می‌تواند منجر به توسعه‌ی محرک‌های مغناطیس-شناور پایه و سیستم‌های فوتوگرماییِ تبدیل انرژی خورشیدی گردد. از کاربردهای آن می‌تواند یک سیستم تولید توانِ طبیعت دوستِ ارزان قیمت و یک نوع جدید سیستم حمل و نقل هدایت شده با نور باشد.
آبه بیان داشت: «در حال حاضر ما روی طراحی برای توسعه‌ی یک تیغه‌ی توربین مغناطیس-شناور مناسب برای سیستم کار می‌کنیم. در این مورد، پیش‌بینی می‌شود که اصطکاک باعث قطع گردش توربین مغناطیس-شناور شود. بنابراین، با ارجاع به به اصطلاح تکنیکِ MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیک)، علاقه‌مند به توسعه‌ی یک سیستم تبدیل انرژی نور با یک بازده بالا برای تبدیل انرژی نور هستیم. به عنوان یک محرک، از گرافیت مغناطیس-شناور می‌توان برای حمل هر چیزی که تقریباً هم‌وزن دیسک گرافیتی شناور است استفاده کرد. بنابراین اگر توسعه‌ی مقیاس سیستم تحریک شده توسط نور ممکن گردد خیال‌پردازی نخواهد بود که انسانی روی یک گرافیت مغناطیس-شناور بتواند به رانندگی بپردازد.»
بنا بر نظریه‌هایی که در مقاله‌های قبلی در این سایت مطرح شد علت اصلی دیامغناطیسم وجود باشتکی از مولکول‌های هوای جذب شده به قطب‌های شدید آهن‌ربایی است. حرکت‌های خطی و گردشی فوق‌الذکر پولک بر اساس این نظریه به خوبی توجیه می‌شود که در زیر به آن می‌پردازیم:
آرایه‌ی به هم چسبیده‌ی آهن‌رباهاهی دائمی پرقدرت در شکل 1 به گونه‌ای است که مولکول‌های دو قطبی مغناطیسی هوا رشته‌های به هم پیوسته‌ای از خود تشکیل می‌دهند که یک سر هر کدام به یک قطب از یک آهن‌ربا و سر دیگر آن به قطب مخالف از آهن‌ربای مجاور منتهی می‌شود. به این ترتیب بالشتک هوایی که بر اثر جاذبه‌ی شدید آهنرباها روی دوقطبی‌های مولکولی مغناطیسی هوا در مجاورت سطح به هم پیوسته‌ی فوقانی آهن‌رباها تشکیل می‌شود ساختار تپه تپه‌ای دارد که به خوبی می‌تواند دیسک گرافیتی را با تعادلی پایدار بر روی خود تحمل کند.
در شکل 2 از آهن‌رباهای استوانه‌ای استفاده شده است تا بالشتک هواییِ ایجاد شده تقارنی دایره‌ای داشته باشد زیرا هدف این است که پولک تنها حول مرکز خود بچرخد بدون این که روی سطح جا به جا شود. برای این که این بالشتک بتواند تعادلی پایدار برای پولک فراهم آورد لازم است توزیع شدت آهن‌رباهای استوانه‌ای به گونه‌ای باشد که بالشتک هوا شکلی کاسه‌گون برای پولک که در داخل آن قرار می‌گیرد ایجاد کند. در این صورت انحراف کوچکی در موقعیت پولک باعث بازگشتش به موقعیت اولیه‌اش می‌شود.
تابش پرتو لیزر بر مرکز پولک در شکل اول باعث گرم شدن ناحیه‌ی مرکزی نسبت به مناطق پیرامونی پولک می‌شود. این گرما به هوای مجاور محل تابش لیزر در بالای پولک منتقل می‌شود و با گرم و سبک کردن آن باعث صعود این هوا می‌شود. جای خالی این هوای صعود کرده با جریان هوای سرد از همه‌ی اطراف به سمت این نقطه پر می‌شود. این جریان‌های هوا بر اثر اصطکاک به پولک به طرف مرکز پولک نیرو وارد می‌آورند. اما چون این نیروهای وارد شده توزیعی یک‌نواخت از همه‌ی اطراف پولک به سمت مرکز آن دارند این نیروهای اصطکاکی هم‌دیگر را خنثی می‌کنند و باعث ایجاد شتابی وارد بر پولک نمی‌شوند. چنین شتابی به سمت محل تابش لیزر یا نقطه‌ی گرم شدگیِ روی پولک وقتی به وجود می‌آید که محل فرود پرتو لیزر نه مرکز پولک که بر نقطه‌ای در کنار پولک باشد زیرا در این حال اصطکاک مذکورِ جریان هوای سرد تنها در سمت عظیم پولک، در طرفی از نقطه که شامل مرکز پولک می‌شود، بر پولک به سمت محل لکه‌ی لیزر نیرو وارد می‌کند و پولک را به آن سو می‌کشاند یا شتاب می‌دهد. به این ترتیب عملاً پولک به سمت پرتو لیزر نوسط اصطکاک نسیم سرد، هل داده می‌‌شود.
مکانیسم گردش پولک در آزمایش مربوط به شکل دوم نیز به ترتیبی است که اکنون توضیح داده می‌شود: فرض کنید که پولک کاملاً آرام و بی‌حرکت و بدون کوچک‌ترین چرخشی روی بالشتک هوای روی آهن‌رباهای استوانه‌ی شکل دوم قرار دارد. در این حالت سکون، اگر یک لوله‌ی لیزری که قبلاً دقبقاً بر نقطه‌ای در کناره‌ی پولک نشانه‌گیری شده است روشن شود پرتو ان که بر این نقطه می‌تابد باعث گرم شدن این نقطه و در نتیجه گرم و سبک شدن و صعود هوای مجاور این نقطه می‌شود. جای خالی این هوای بالا رفته به طور متقارن از اطراف محل لکه‌ی لیزری پر می‌شود و تقارن ایجاب می‌کند که هیچ شتابی منجر به خرخش پولک به پولک اِعمال نشود. اما عموماً این حالت سکونِ ایده‌آل رخ نمی‌دهد و چون پولک روی بالشتک هوا آویزان است اندک عاملی خارجی باعث حرکت‌ها و چرخش‌های ولو کوچک می‌شود. پس فرض کنید پولک (بر اثر همان عوامل ناخواسته) به آرامی درست قبل از روشن شدن لیزر به یک سمت می‌چرخد و به آرامی، پس از روشن شدن لیزر، از زیر پرتو لیزر (که در حال تابیدن به ناحیه‌ای ثابت در حاشیه‌ی پولک است) می‌گذرد. نشان می‌دهیم که این چرخش در همین سمت تشدید می‌شود: محل لکه‌ی لیزر در لحظه‌ی روشن شدن لیزر گرم می‌شود. چون پولک به آرامی در حال چرخیدن و از زیر پرتو لیزر رد شدن است و نیز زمانی (ولو کوچک) طول می‌کشد که گرافیت گرمای موضعی خود را از دست بدهد لذا پس از گذشت زمان معینی در نواری از قطاعی از دیسک که از زیر پرتو لیزر رد شده است توزیع گرما به این گونه است که درست در زیر پرتو بیش‌ترین دما را داریم و سپس در ناحیه‌ای کوچک مجاور آن در جهت چرخش دمای کم‌تری داریم (زیرا با بیرون آمدن بخشی از پولک از زیر پرتو گرمای آن تاحدودی از دست رفته است). سپس باز در ناحیه‌ای مجاور این ناحیه در همان جهت باز دمای باز هم کم‌تری داریم، و این روند کاهش دما تا رسیدن به دمای معمول روی بقیه‌ی نقاط پولک ادامه می‌یابد. شایان ذکر است که ناحیه‌ی درست زیر پرتو در سمت مخالفِ گردش با ناحیه‌ای کاملاً سرد، به سرمای معمول روی پولک، به صورت پله‌ای مجاور است. چنین توزیع دمایی بر روی این ناحیه‌ی پولک باعث می شود که هوای مجاور لکه سبک‌تر از هواهای نواحی مجاور در جهت چرخش باشد، و این روند سبکی به تدریج با پیش رفتن در جهت چرخش کاهش یابد. پس هوای زیر پرتو سریع‌تر از هواهای مجاور آن در جهت چرخش بالا می‌رود. حفره یا خلأ بزرگ ایجاد شده توسط این بالاروی، عمدتاً با نسیم سردی که از سمت سرد پله‌ای فوق الذکر روی دیسک می‌وزد پر می‌شود زیرا توزیع گرمایی که در سمت دیگر به تدریج در حال سرد شدن است به گونه‌ایست که گویا تنها حفره یا خلأ کوچکی در ناحیه‌ی انتهایی سرد شده‌ی قطاع مذکور، ناشی از بالاروی کند هوای نه چندان گرمِ نه چندان سبک بالای این نقطه، ایجاد می‌شود که نسیم سرد پر کننده‌ی آن به قدرت نسیم قبلی نیست. به این ترتیب تعادل در قدرت وزش‌های هوای سرد در دو سوی توزیع گرمای ناشی از پرتو لیزری به هم می‌خورد و نسیم قوی‌تر بر اثر اصطکاک خود با سطح پولک چرخش پولک در همان جهت را تقویت می‌کند. در واقع وضعیت مثل پوست کن شدنِ هوای روی پولک به این نحو است که گویا از محل برشی که درست در زیر پرتو لیزر به این پوست هوایی داده می‌شد هوای تنها قسمت مجاور در جهت چرخش ناگهان بالا کشیده می‌شود به طوری که در ناحیه‌ی انتهایی توزیع گرما که دما دیگر همان دمای معمول سرد روی پولک است پیوستگی پوست هم‌چنان برقرار است. بدیهی که هوای سرد از سمت سرد پله‌ای ناگهان به زیر این پوستِ ناگهان بالا کشیده یورش می‌برد و در جهت یورش خود به دیسک شتاب (چرخشی) می‌دهد.