Demonstrationen af ​​hydrodynamisk tilsløring og afskærmning i mikroskala

Forskere ved Technion—Israel Institute of Technology, Technische Universität Darmstadt, og IBM Research Europe har for nylig foreslået en ny strategi for samtidig at opnå mikroskala hydrodynamisk tilsløring og afskærmning. Mens ideen om at tilsløre eller afskærme genstande har eksisteret i nogen tid nu, i modsætning til andre tidligere udviklede metoder tillader den teknik, de foreslog, fysikere at skifte dynamisk mellem disse to tilstande.

"Da vi startede med vores forskning, vi var opmærksomme på arbejde i denne retning, der er baseret på porøse metamaterialer, "Steffen Hardt, som ledede forskerholdet på TU Darmstadt, fortalte Phys.org. "Vores idé var, at man ikke behøver sådanne metamaterialer, hvis man kan injicere momentum i et område omkring objektet, der skal tilsløres/afskærmes. Effektivt, det betyder, at du overlejrer det eksterne flowfelt af et eller andet skræddersyet lokalt flowfelt. Som resultat, det totale flowfelt (eksternt og lokalt) kommer ud, således at tilsløring eller afskærmning opnås."

Som en del af deres tidligere studier, forskerne udviklede metoder til lokalt at injicere momentum ved hjælp af det, der er kendt som elektroosmotisk flow (dvs. bevægelse af væsker typisk induceret af en påført spænding over et porøst materiale eller andre væskeledninger). Hovedformålet med deres nye undersøgelse var at demonstrere en ny metode til at dække/afskærme objekter i en væskestrøm og gøre denne funktionalitet adaptiv i realtid, som tidligere foreslåede tilgange baseret på metamaterialer ikke er.

Det nye tildæknings-/afskærmningsprincip kom i kraft takket være et tæt samarbejde mellem ph.d. studerende Evgeniy Boyko og Michael Eigenbrod, hvem udarbejdede teorien, og Vesna Bacheva, der udførte eksperimenterne. I deres eksperimenter, forskerne placerede en genstand i midten af ​​et mikrofluidkammer, består af to parallelle plader adskilt af et lille mellemrum (et par tiere af mikrometer i størrelse). De fyldte derefter kammeret med vand og påførte en trykforskel mellem dets indløb og udløb. Dette tillod dem at generere en hydrodynamisk strømning omkring objektet.

"Tildækning (som får strømningsfeltet uden for et bestemt område omkring objektet til at se ud, som om der ikke er nogen genstand) eller afskærmning (eliminering af de kræfter, som flowet udøver på objektet) kræver en nøjagtig kontrol af væskehastigheden i området omkring objekt, " sagde Moran Bercovici, der ledede den del af teamet på Technion. "Vi opnåede dette ved lokalt at injicere momentum ved hjælp af et elektrokinetisk fænomen kaldet felteffekt elektro-osmose."

For at opnå kapacitiv kontrol over den lokale overfladeladning, holdet indlejrede en elektrode i bunden af ​​den mikrofluidiske enhed og justerede dens elektriske potentiale. Ioner med en modsat ladning indeholdt i vandet skærmede overfladen, danner det, der er kendt som et elektrisk dobbeltlag.

"At påføre et eksternt elektrisk felt langs kanalen udøver en kraft på de mobile ladninger, som bærer resten af ​​væsken med sig gennem viskøs interaktion, Hardt forklarede. "Denne effekt kan opfattes som 'transportbånd' placeret ved overfladen, hvis hastighed kan styres af elektrodens potentiale. Den inducerede hastighed kan modificeres dynamisk for at skifte mellem forhold, der giver tilsløring og afskærmning."

Bemærkelsesværdigt, tilslørings-/afskærmningsmekanismen som følge af den strategi, teamet bruger, kan tilpasses i realtid. Med andre ord, det giver forskere mulighed for at slå cloaki/skjoldeffekter til og fra; eller skift frem og tilbage mellem tildæknings- og afskærmningsforhold.

Den nye teknik og det nye paradigme introduceret af dette team af forskere kan også have konsekvenser for andre områder af fysikken. For eksempel, det kunne tillade fysikere at skjule genstande i elektromagnetiske eller akustiske felter.

Samlet set, princippet skitseret i det nylige papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , kan bruges til at bestemme, hvordan et objekt interagerer med en væskestrøm (f.eks. hvilken kraft strømmen udøver på objektet). Dette kan vise sig at være særligt nyttigt til at studere virkningerne af væskestrøm på biologiske systemer, såsom celler.

"Det princip, vi brugte til momentuminjektion i et flow, kan være meget raffineret, hvis vi ikke kun bruger en enkelt elektrode (som i vores nylige papir), men en række individuelt adresserbare elektroder, " tilføjede Federico Paratore, fra IBM Research Europe. "Dette ville give hidtil usete muligheder for at forme et flowfelt, går meget længere end kun tilsløring eller afskærmning."

© 2021 Science X Network