باحثون يطورون سطوحاً معالجة قادرة على التحكم بالسوائل والجسيمات الدقيقة

طور باحثون من معهد ماساتشوستس و المملكة العربية السعودية طريقة جديدة لتصنيع السطوح القادرة على التحكم بشكل فعال بالسوائل أو الجسيمات المتحركة عليها. و قد يؤدي هذا العمل لأنواع جديدة من أجهزة الطب الحيوي و أجهزة السوائل الميكروية أو الألواح الشمسية القادرة على تنظيف نفسها من الغبار والحصى آليا.

يكون دور السطوح في تحريك السوائل عليها معدوماً وغالبا ما يعتمد تحريك سائل على سطح ما بقوى كالجاذبية مثلا. قرر فريق بحث بإشراف كريبا فاراناسي الروفيسور المساعد في الهندسة الميكانيكية في معهد MIT استخدام حقول خارجية كالحقول المغناطيسية، لجعل السطوح فعالة، وذلك بتحكمها الدقيق بتصرفات الجسيمات أو القطرات المتحركة عليها. فقد تم استخدام سطوح مصنعة ميكروياً، عليها نتوءات بعرض بضعة ميكرومترات، تملأ هذه النتوءات بسائل يمكن التلاعب به، كزيت مشبع بجسيمات مغناطيسية صغيرة على سبيل المثال، أو سائل حديدي والذي يمكن يمكن دفعه أو جذبه بتطبيق حقل مغناطيسي على السطح. عندما توضع قطرات الماء أو الجسيمات على السطح، تصبح مغطاة بغشاء رقيق من هذا السائل مشكلا بذلك غطاءا مغناطيسيا لها.

يستطيع هذا الغشاء الممغنط أن يدفع القطرات أو الجسيمات على المسار المرسوم مغناطيسيا على السطح. تسمح الجسيمات الحديدية التمغنط، والتي يتراوح قطرها بحدود 10 نانومتر ضمن السائل الحديدي بالتحكم الدقيق عند الحاجة، كما في أجهزة السوائل الميكروية المستخدمة في اختبارات الطب الحيوي والاختبارات الكيميائية.

ومع أن باحثين أخرين كانوا قد طوروا أنظمة تستخدم المغناطيسية لتحريك الجسيمات أو السوائل، فقد استلزمت هذه الانظمة أن تكون المادة المتحركة مغناطيسية أيضاً بالإضافة للحاجة إلى حقول مغناطيسية شديدة لتحريكها. إلا أن هذا النظام الجديد، والذي يؤمن سطحا زلقا جدا، يتيح للسائل أو الجسيمات أن تنزلق عليه بدون أي احتكاك نظرياً وبالتالي يحتاج لقوة أصغر بكثير لتحريكه.

ويقول كريم خليل طالب الدراسات العليا في معهد MIT والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية "إن ذلك يسمح لنا بالوصول إلى سرعات عالية بتطبيق قوى صغيرة ".

كما يوضح أن المقاربة الجديدة يمكن أن تكون مفيدة في عدد من التطبيقات. فمثلا، تخسر الألواح الشمسية والمرايا المستخدمة في أنظمة تركيز الطاقة الشمسية بسرعة نسبة كبيرة من فعاليتها عندما يتجمع الغبار أو أي مواد أخرى على سطحها. ولكن بتغطيتها بالمادة ذات السطح الفعال، فيمكن تطبيق نبضة مغناطيسية صغيرة لمسح المواد الملوثة.

أما حالياً وحتى في المناطق الصحراوية فالطريقة الوحيدة للتخلص من القاذورات هي الغسل المكثف بخراطيم المياه. أما الطريقة الجديدة، كما يقول الباحثون، فستجعل من عملية التنظيف آلية وبدون استخدام المياه.

" في البيئة الصحراوية، يتواجد الغبار يوميا بشكل أساسي" يقول المؤلف المشارك نعمان أبو ضهير من جامعة الملك فهد للبترول و المعادن. "إن مشكلة الغبار تجعل من الألواح الشمسية أقل كفاءة مما هي عليه في أمريكا الشمالية وأوروبا. نحتاج إلى طريقة جديدة للتقليل من تراكم الغبار".

إحدى مزايا نظام السطح الفعال الجديد، فعاليته على مجال واسع من ملوثات السطوح. كما يشير الباحث سعيد محمودي (المؤلف المشارك من معهد ماساتشوستس) إلى أن الحقول الكهربائية لا تستطيع اختراق السوائل الناقلة للتيار، كالسوائل البيولوجية، لذا فإن النظم التقليدية ليس لها القدرة على التحكم بهذه السوائل، ولكن مع هذا النظام الجديد فإن الناقلية الكهربائية غير مهمة.

بالإضافة إلى أن هذا الإنجاز يتيح القدرة على التحكم بشكل كبير بكيفية حركة المواد. " لقد تم استخدام حقول فعالة – كالحقول المغناطيسية، والكهربائية، والصوتية - للتلاعب بالمواد " يقول خليل. " ولكننا نادراً ما رأينا السطح يتفاعل بنفسه بشكل فعال مع المواد الموجودة عليه" مما يعطي دقة أعلى بكثير.

في حين تستخدم الظاهرة الجديدة سوائل مغناطيسية، فإن الباحثين يقولون إن المبدأ ذاته يمكن تطبيقه باستخدام قوى أخرى للتلاعب بالمواد، كالحقول الكهربائية أو القوى الناتجة عن الفروق في درجة الحرارة.

نيليش باتنكار، بروفيسور في الهندسة الميكانيكة في جامعة نورث ويست، والذي لم يشارك بهذا العمل، يقول إن هذا البحث " يمتلك العديد من التطبيقات في عدة مجالات، بما فيها التقانة الحيوية. يجمع هذا العمل بذكاء بين الحركة قليلة العشوائية للقطرات و دفع القطرات بواسطة حقل مغناطيسي ضعيف، لبلوغ قدرات مذهلة."

المصدر: هنا

حقوق الصورة: Massachusetts Institute of Technology