Kumun Yokuş Yukarı Akışı: Yeni Bir Keşif
Kum saatinden kumsaldaki kum tepelerine kadar, kumun yokuş aşağı akabildiğini biliyoruz. Granüler malzemeler, fiziksel olarak bu şekilde davranma eğilimindedir. Ancak, araştırmacılar bu temel prensibi göz ardı eden tanecikli bir malzeme geliştirmeyi başardılar: Yokuş yukarı akan, merdivenlere ve duvarlara tırmanma yeteneğine sahip kum benzeri bir madde.
Pek çok etkileyici keşif gibi, bu buluş da tesadüf eseri ortaya çıktı. Baş yazar Dr. Samuel Wilson-Whitford, demir oksit kaplı polimer parçacıklarıyla dolu bir şişenin altındaki mıknatısı döndürdüğünde, bu parçacıkların alışılmadık hareketlerini gözlemledi. Mıknatıs ortadan kalktığında, bu tanecikler normal bir kum gibi hareket ederken, manyetik alan her şeyi değiştirdi.
Lehigh Üniversitesi’nden ortak yazar Profesör James Gilchrist, bu konuda yaptığı açıklamada, “Tanecikli malzemelerin akışını tanımlayan denklemleri kullandığımızda, bu parçacıkların yokuş yukarı akmalarının yanı sıra, gerçekten granüler bir malzeme gibi davrandıklarını kesin olarak gösterebildik” dedi. Ekip, bu hareketi açıklamak için ayrıntılı akış denklemlerinde bazı yenilikçi değişiklikler yapmak zorunda kaldı. Malzemedeki çökme durumundan kaynaklanan en dik iniş açısı olan durma açısının negatif bir değer alması gerekiyordu. Ayrıca, sürtünme katsayısının da negatif olması gerekliliği ortaya çıktı.
Gilchrist, “Şimdiye kadar hiç kimse bu türden değişkenleri kullanmadı” diyerek, “Bunlar mevcut değildi. Ancak bu taneciklerin yokuş yukarı hareket edebilmesinin arkasındaki gerilimleri hesaplayabilmek için, negatif bir durma açısına sahip olmanın gerekliliği üzerinde durduk. Negatif bir durma açınız varsa, negatif bir sürtünme katsayısı elde edebilmek için kohezyona sahip olmanız gerekmektedir. Granüler akış denklemleri bu unsurları hesaba katmak için asla türetilmedi; fakat hesaplamalar sonucunda negatif gibi görünen bir sürtünme katsayısı ortaya çıktı.” şeklinde ekledi.
Mikro silindirler olarak adlandırılan bu maddenin mantıksal olmayan hareketinin ardında, manyetik alanın etkisi yatıyor. Manyetik alan, parçacıkların dönmeye başlaması için bir tork üreterek, parçacıkların geçici olarak birbirine yapışmasını sağlayan kohezyon (tutunma) yaratıyor. Daha güçlü bir manyetik alan, bu kohezyonu artırarak, parçacıklara daha fazla çekiş gücü kazandırmakta ve böylece yokuş yukarı daha hızlı çıkmalarını sağlamaktadır.
Araştırmacılar, bu yöntemle malzemeyi küçük merdivenlerden yukarı çıkarmayı başardılar. Gilchrist, “Bu ilk makale, malzemenin yokuş yukarı nasıl aktığına odaklanıyor, ancak sonraki birkaç makalemiz uygulamalara odaklanacak ve bu araştırmanın bir kısmı şu soruyu yanıtlayacak: Bu mikro silindirler engelleri aşabilir mi? Cevap evet” diyerek devam etti: “Bu parçacıkları son noktasına kadar inceliyoruz. Toplu hareketlerini daha iyi anlayabilmek için farklı dönme hızları ve çeşitli manyetik kuvvetlerle deneyler gerçekleştiriyoruz. Yayınlayacağımız sonraki 14 makalenin başlıklarını büyük ölçüde belirlemiş durumdayım.”
Bu çalışma, Nature Communications dergisinde yayımlandı.
