Înapoi în 1948, fizicianul olandez Hendrik Kazimir a prezis efectul care a rezultat din teoria câmpului cuantic (mai târziu a fost numit efectul Casimir). Conform acestei teorii, nu există un vid absolut (vid). În cazul în care două plăci conducătoare neîncărcate paralele sunt plasate sub vid, atunci la distanțe foarte mici între ele există atracție. Faptul este că probabilitatea producerii de fotoni în afara plăcilor este mai mare decât între ele. Presiunea externă produsă de fotoni depășește presiunea din spațiu, iar plăcile sunt atrase. Forța de atracție este invers proporțională cu a patra putere a distanței dintre plăci. Deoarece această distanță scade, forțele lui Casimir cresc dramatic.
Forța Casimir este una din întreaga familie de forțe pe care fizicienii o numesc slabă. Cu toate acestea, forța slabă poate exercita o influență considerabilă asupra diferitelor procese, inclusiv adeziunea (procesul de adeziune), mai ales în condiții extreme - vidul spațiului, radiații, schimbări bruște de temperatură, electrificare, imponderabilitate, micro- și obiecte de dimensiuni nano. Deoarece forța slabă poate acționa cily forțele Van der Waals, care au o natură fizică pentru a forța Casimir, iar forța de legare chimică gravitate, cu rază lungă, forța adezivă optice (forța de lumină de presiune).
Van der Waals sau interacțiuni intermoleculare, care sunt cunoscute din cursul școală de fizică și chimie, sunt prezentate între orice molecule. Durabilitate obligațiuni intermoleculare aproximativ un ordin principale valentele rezistență mai scăzută - chimice, dar este datorită interacțiunii particulelor fine cu altele, cu diferite substraturi, aderența între straturi un număr de minerale (mică), particule de sol ambreiaj, mobilier prăfuire, etc.
În detrimentul a ceea ce apar astfel de forțe?
Luați în considerare un exemplu de utilizare a metamaterialelor (nanostructuri hibride de metale și dielectrice), pe suprafața cărora există un număr mare de plasmone excitate (nori de electroni liberi). Când se află în contact cu suprafața altui material, aceste plasmone încep să interacționeze cu electronii celui de-al doilea material, iar datorită efectului rezonant, cele două suprafețe aderă unul la celălalt. Acest efect de "lipire" apare când un metamaterial este iluminat cu lumină la o frecvență care coincide cu frecvența rezonantă a plasmonilor. Forțele de interacțiune depind de frecvența și intensitatea luminii incidente și pot depăși forțele lui Casimir.
Calculele arată că intensitatea luminii de câteva zeci de nanowați pe micrometru pătrat este suficientă ... pentru a depăși gravitatea Pământului! "Porniți" sau "dezactivați" o alimentare similară poate fi activată sau oprită de sursa de lumină. Este posibilă ridicarea și mutarea nanoobjectelor, manipularea proprietăților lor optice.
Casimir fără frecare
În ceea ce privește Forțele Casimir, ele au fost studiate în detaliu. Se arată că, la distanțe de aproximativ 10 nm efect Casimir echivalent cu efectul acțiunii presiunii atmosferice (101.3 kPa) și la o distanță de aproximativ 200 nm, aceste forțe pot deveni dominante, care împiedică crearea și sisteme micro- și nanoelectromechanical (MEMS, NEMS). Lucrul este că lubrifiantul începe să funcționeze ca un adeziv, de exemplu, datorită manifestării forțelor de atracție.
Studii ulterioare (legile lui Livshits-Casimir) au arătat că este posibil să se realizeze acțiunea respingătoare a forțelor și, prin urmare, să se reducă brusc frecarea în dispozitivele MEMS și NEMS. Recent, grupul profesorului Lopez (SUA) a reușit să realizeze acest lucru prin crearea de domenii structurate la scară nanometrică (tipuri speciale de rugozitate a suprafeței). Dimensiunile caracteristice ale acestor rugozități sunt de aproximativ 50 nm în fiecare măsurătoare de pe suprafața solidelor. Utilizarea fasciculului laser ca sursă de presiune ușoară a făcut posibilă controlul forțelor Casimir, pentru combaterea efectelor nedorite ale lipirii părților în dispozitivele NEMS și MEMS.
Cercetătorii americani au mers mai departe. Ei au demonstrat capacitatea de a crea dispozitive și mecanisme de nivel molecular bazate pe metamateriale fără frecare. Aceasta înseamnă că levitația la scară nanometrică este aproape atinsă. Au existat dispozitive reale bazate pe forța Casimir - comutatoare cu microunde, oscilatoare MEMS și giroscoape. forța Casimir trebuie luate în considerare în tehnologia de detectare, telecomunicații, filme de stocare a informațiilor de contact grafene care conțin nanotuburi de carbon bidimensionale, în procesele de polimerizare pe suprafata ... In toate aceste procese adesea forțe slabe acționează ca reglaj fin procesul de adeziune totală.
Recent, sa demonstrat că efectul Casimir este aplicabil pentru lichide. Sa dovedit că forța Casimir depinde de temperatură, rugozitatea suprafeței, prezența sau absența încărcărilor electrostatice, adică putem aștepta la noi aplicații ale acesteia.
Astfel, oamenii de știință chinezi (Wei grup Syunbina) au fost capabili de a capta și a muta celulele sanguine blocate (tromb) in interiorul unui capilar folosind o penseta optice (forceps) într-o direcție arbitrară. Baza dispozitivului a fost un microlaser în domeniul infraroșu cu o putere de câteva sute de milliwați. Materialele cu proprietăți optice sensibile la lumină permit folosirea unor astfel de dispozitive în practica medicală. Și nu numai.
Producția de imprimante 3D este activată
ca prăjiturile fierbinți.
Fotografie de Andrey Vaganov
probleme de aderență devin cruciale în obținerea (în creștere) straturi moleculare pe diferite substraturi (hârtie, metale, aliaje, ceramica, materiale plastice), adică în tehnologia 3D imprimare. Un procedeu cunoscut ca aditiv de fabricație (producție aditiv), a revoluționat industria, tehnologia, proiectarea, medicament, datorită sale ieftinătate, simplitatea, ecologia și disposability.
În China, metoda de tipărire 3D produce elemente purtătoare în aeronave. NASA a testat cu succes părți ale motorului cu rachete, imprimate pe o imprimantă 3D. În șase ani, experții prezic NASA, va fi posibil să imprimați în spațiu, în condiții de greutate, un diametru de zeci de metri, o lungime de sute de metri și chiar kilometri - nu există nici o limită! - cu ajutorul colectorilor robot-arachnid.
Având în vedere că baza tehnicii 3D-imprimare este procesul de stratificare a tuturor structurilor posibile, calitatea produselor și a durabilității acestora va fi determinată de puterea de legătura dintre aceeași (coeziune) și diferitele straturi de materiale din natură (de adeziune). Adică, procesul de tipărire 3D, de fapt, este un proces coeziv de aderență.
Cele mai multe tehnologii utilizate în imprimarea cu jet de cerneală efectuat unitate de cap, una care cuprinde o rășină de polimer de întărire rapidă sau adeziv, oferind un fiabile particule strat de adeziune-lipire a pulberilor, firele, panglici. Acest proces stă la baza creșterii unui obiect solid.
Imprimarea 3D este a șasea structură tehnologică cu elemente ale celui de-al șaptelea. Dar, paradoxal, acest proces a fost mult timp realizat în natură. Să ne amintim de zgârierea cocilor de nave cu tot felul de microorganisme (de exemplu, balanțe). Și murdărirea este strat-cu-strat. Inițial, aderența este „de lucru“ la interfața „coca navei - organisme“, atunci aceste straturi de microorganisme construite altele noi, folosind adezivi naturali, alocate de aceleași microorganisme. Grosimea acestui "armură" poate ajunge la zeci de centimetri.
Ceea ce învață bionica
Deja în anii 80 ai secolului trecut, a fost discutată construcția subacvatică în zona de raft. Astfel, problema neregularitate a dus la necesitatea de a studia interacțiunea materialelor de construcție cu mediul apos înconjurător și a locuitorilor săi. Sa lucrat la formarea și producția de laboratoare și structuri de bază pe coasta Mării Negre din Crimeea.
Ele au fost colectate din emisfere de grinzi metalice de 3-5 m în diametru cu deschideri pentru ferestre și uși. Aceste blancuri presupuse coborâte pe fundul mării și tot mai mult activitatea de deplasare pe microorganisme marine (imprimante vii), care ar fi colectate (ridicat) produsul prin procese colmatează cadru metalic gros „coajă“ de lipitori stratificarea. Și apoi căpitele terminate trebuiau să fie scoase pe pământ, să glazeze deschiderile ferestrelor, să atârne ușile ...
Iar spațiul oferă condiții excelente pentru cultivarea structurilor. Astfel, procesele de polimerizare (întărire) se desfășoară mai bine atunci când sunt expuse la radiații, la temperaturi ridicate. În spațiu toți acești factori sunt disponibili. Presiunea ușoară este, de asemenea, liberă, electricitatea statică este abundentă. Vacuarul joacă, de asemenea, un rol pozitiv, deoarece forța adezivă în vid crește, iar suprafețele juvenile (proaspăt formate) aderă și fără lipici atunci când se stoarce.
Este posibilă fixarea pieselor de produse prin intermediul unei metode de lipire prin electrotermie, care, de asemenea, nu necesită clei. Sau efectuați sudura prin difuzie, beneficiul vidului este liber, ca temperatura. Si fortele lui Casimir sunt intotdeauna in ajutor, impreuna cu adeziunea optica. Mai recent, a fost descoperită o nouă forță de atracție slabă, produsă prin emisia unui corp absolut negru, pentru a fi aproape de forțele lui Casimir.
În legătură cu cele de mai sus, fabricarea de pistoale și produse similare folosind imprimarea 3D este o jucărie. Înainte de creștere corpuri umane, discuri intervertebrale, în creștere traume osoase. Fixarea navelor spațiale, repararea pe ISS va deveni o activitate de rutină. Vânzarea a primit deja creioane nanotub cu piste de nanotuburi de carbon comprimat, permițând senzorii să picteze și alte produse, 3D-pen (3Doodler), vă permite să atragă o varietate de forme tridimensionale din plastic. Și Institutul Max Planck din coloizi Society (Germania) a prezentat noua versiune a „hârtie“, cu structuri conductoare electronic complexe, inclusiv trei-dimensionale. Adică, locomotiva tipăririi 3D nu poate fi oprită.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: