دانشمندان با ایجاد مایع معلق، موفق شدند اجسام را در سطح زیرین آن شناور کنند

چگونه ممکن است قایقی به شکل وارونه در سطح زیرین مایعی شناور در هوا باقی بماند؟ گروهی از دانشمندان فرانسوی با استفاده از چند ترفند علمی، نشان دادند که نه‌تنها می‌توانند لایه‌ای از مایع چسبناک را در هوا شناور نگه دارند، بلکه قایق کوچک اسباب‌بازی نیز به‌همان شکلی که به‌طور طبیعی روی سطح بالای آن شناور می‌شود، می‌تواند در سطح پایین مایع بماند.

امانوئل فورت، استاد مؤسسه آموزش عالی شیمی و فیزیک صنعتی شهر پاریس (ESPCI Paris) و یکی از نویسندگان مقاله‌ای که اخیرا در مجله‌ی Nature منتشر شد و این شاهکار ظاهرا غیرممکن را توصیف می‌کند، گفت: «این آزمایشی جالب بود. همه چیز به‌خوبی کار می‌کرد و من هنوز از این نتایج شگفت‌زده هستم.»

وقتی مایعات دارای چگالی مختلف با هم مخلوط می‌شوند، معمولا مایع چگال‌تر در زیر ته‌نشین می‌شود. به‌همین دلیل است که نفت روی آب شناور می‌ماند. حتی اگر ابتدا لایه‌ای از نفت را در ظرفی بریزید و سپس با دقت آب را روی آن اضافه کنید، آب سنگین‌تر شروع به چکیدن از لایه‌ی نفت می‌کند و ریشه‌هایی را تشکیل می‌دهد که به کف می‌رسد. به‌زودی آب زیر روغن قرار می‌گیرد. این حالت نظیر نحوه‌ی آویزان ماندن یک آونگ سخت به‌طور مستتقیم به‌سمت پایین است. موقعیت معکوس که در آن آونگ به سمت بالا قرار می‌گیرد نیز یک موقعیت تعادل است و نیروهای دست‌اندرکار کاملا در تعادل هستند. اما با کوچک‌ترین اغتشاشی این تعادل از دست می‌رود و آونگ به‌سمت پایین می‌چرخد.

پژوهش دکتر فورت درزمینه‌ی مایع شناور زمانی آغاز شد که او صحبت‌هایی را درمورد آونگ کاپیتسا شنید. نام این آونگ برگرفته از نام پیوتر کاپیتسا فیزیکدان روسی است که در سال ۱۹۵۱ توضیح داد که چگونه اگر آونگ در فرکانس مناسبی به سمت بالا و پایین به نوسان درآید، تا آخر رو‌به‌بالا می‌ایستد.‌ جرقه‌ای از الهام برای دکتر فورت به وجود آمد: به‌جای داشتن آونگ وارونه ممکن است بتوانیم لایه‌ای مایع وارونه داشته باشیم. به عبارت دیگر، آن‌ها می‌خواستند لایه‌ای از مایع را روی هوا ایجاد کنند. این کار با لایه‌ای از آب که به‌آسانی مواج و ناپایدار می‌شود، میسر نیست اما با گلیسرول و روغن سیلیکون که نسبت‌به آب غلیظ‌تر هستند، امکان‌پذیر می‌شود. ویسکوزیته بالاتر امواج را سرکوب می‌کند.

ارتعاشات به شناور ماندن لایه روغن سیلیکون کمک می‌کنند. این ارتعاشات با فرکانس حدود ۱۰۰ چرخه در ثانیه موجب شد حباب‌های تزریق‌شده به مایع به سمت پایین رانده شوند و بالشتکی از هوا زیر مایع درحال ارتعاش تشکیل شود. این ارتعاشات همچنین باعث ایجاد ریتم پیوسته‌ای از فشرده‌سازی‌ می‌شود که مایع شناور را به‌صورت دست‌نخورده حفظ می‌کند. وقتی قطره‌ای شروع به تشکیل می‌کند، نیروی رو به بالای هوا، قطره را به درون لایه برمی‌گرداند و آن را دست‌نخورده نگه می‌دارد.

حتی مقدار کمی مایع می‌تواند به این شیوه شناور بماند. پژوهشگران نشان دادند که می‌توانند حدود نیم لیتر مایع را شناور کنند و مایع می‌تواند به پهنای حدود ۲۰ سانتی‌متر پخش شود. دکتر فورت گفت: «هیچ محدودیتی وجود ندارد؛ فقط باید بیشتر تکان دهید.» البته سکوهای تکان‌دهنده‌ی بزرگ‌تر هزینه‌ی بسیار بیشتری دارند. دکتر فورت همچنین بررسی کرد که چگونه قطرات و امواج در آب می‌توانند به‌عنوان مدل‌هایی برای جنبه‌های خاصی از مکانیک کوانتوم عمل کنند.

درحالی‌که شناور شدن یک مایع شناخته شده بود، پژوهشگران نشان دادند که اشیاء نیز می‌توانند روی سطح زیرین آن شناور بمانند

البته جست‌وجو در مقالات علمی نشان می‌داد شناور کردن مایعات با استفاده از ارتعاشات موضوع جدیدی نیست. دانشمندان دیگر این پدیده را دهه‌ها پیش کشف کرده بودند. اما تیم دکتر فورت پدیده‌ی غیرعادی را شناسایی کردند: اینکه اشیاء می‌توانند روی سطح زیرین این مایع شناور بمانند. به دلیل وزن مایع، هوای زیر لایه‌ی شناور متراکم‌تر است و این هوای متراکم‌تر، قایق را به‌سمت مایع فشار می‌دهد و با نیروی جاذبه‌ی رو به پایین مقابله می‌کند. اثر خالص این نیروها است که موجب می‌شود قایق به‌صورت وارونه شناور بماند. دکتر فورت گفت: «ارتعاشات همه‌جانبه به شما کمک می‌کنند تا این موقعیت تعادل را حفظ کنید. این شهودی نیست.» درواقع خود دانشمندان نیز متعجب شدند. دکتر فورت گفت: «ما فکر می‌کردیم که به‌راحتی سقوط خواهد کرد.»

دانشمندان در آزمایش خود ابتدا از مهره‌های گرد کوچک استفاده کردند؛ اما در ادامه با استفاده از چاپگر سه‌بعدی اشکالی ساختند و شناور ماندن آن‌ها را در لایه‌ی زیرین مایع شناور مورد بررسی قرار دادند. این اشکال شامل اردک‌ها و قورباغه‌ها می‌شد. تمامی آن‌ها به سمت پایین در بخش پایین مایع شناور ماندند. دکتر فورت گفت: «اما من فکر می‌کنم، قایق عالی بود.»

ولادیسلاو سوروکین از دانشگاه اوکلند نیوزلند و ایلیا بلکمن از آکادمی علوم روسیه در تفسیری که همراه مقاله‌ی جدید منتشر شد، نوشتند که پژوهش جدید نشان می‌دهد بسیاری از پدیده‌های غیرعادی که از سیستم‌های مکانیکی ارتعاش‌کننده ناشی می‌شوند، خصوصا درزمینه‌ی واسط‌های میان گازها و مایعات هنوز کشف نشده و توضیح داده نشده‌اند.

دکتر فورت گفت این پژوهش می‌تواند کاربردهای عملی درزمینه‌ی مخلوط کردن مایعات و جامدات و احتمالا جدا کردن آن‌ها از هم داشته باشد. او گفت کسانی که به آزمایشگاه آمدند و آزمایش را دیدند به‌طور کلی دو واکنش نشان دادند. یک گروه آن را باور نکرده و فکر می‌کردند نوعی تردستی است، اما دیگران با نگاه هنرمندانه‌تری به آن نگاه می‌کردند؛ گویی به اتفاقی خیالی می‌نگرند.