ساختار حیرت‌آوری که دنیای فیزیک را متحیر کرده بود

راز شگفت‌انگیز قطره اشکی به محکمی فولاد / عکس

معمای شیشه‌هایی به شکل قطره اشک که می‌توانند زیر ضربات سنگین چکش دوام بیاورند، اما کوچکترین تماسی با سر این قطره، آن را خرد می‌کند، بالاخره و بعد از سده‌ها حل شده است.

کد خبر: ۶۱۰۹۹۲

تاریخ: ۱۷ ارديبهشت ۱۴۰۲ - ۱۲:۱۶

ساختار عجیب این شیشه‌ها که "قطرات شاهزاده روپرت" نامیده می‌شوند، برای حدود ۴۰۰ سال فکر دانشمندان را به خود مشغول کرده بود.

سرینیواسان چاندراسکار، استاد مهندسی صنایع و مدیر مرکز پردازش مواد و تریبولوژی دانشگاه پردوی ایندیانا دراین باره گفته:« از یک سو، سر این قطره شیشه‌ای می‌تواند در برابر ضربات سخت مقاومت کند و سوی دیگر آن، یعنی قسمت انتهایی و دم قطره، با کوچکترین فشار انگشت شکسته می‌شود و در چند میکروثانیه، کل ماده به پودر ریزی تبدیل شده که این تخریب با صدای تند و تیزی همراه است.»

حالا تحقیقات جدید حکایت از آن دارد که بخش سر این این قطرات شیشه‌ای، به دلیل نیروهای فشاری وارد بر قسمت بیرونی قطره‌ها استحکام عجیب و غریبی دارند. در این تحقیق مشخص شد که این نیروها، در حد و اندازه نیروهای فشاری در برخی از اشکال فولاد هستند.

چرا قطره شاهزاده روپرت؟

قطره شاهزاده روپرت در سال ۱۶۶۰ به شهرت رسید. زمانی که شاهزاده روپرت راین (آلمان)، چند تکه از این شیشه را برای هدیه به پادشاه چارلز دوم انگلستان داد. (قطره‌های شاهزاده روپرت که از ریختن شیشه مذاب در آب سرد به دست می‌آید، احتمالا قرن‌ها قبل توسط شیشه‌گران ساخته شده بود). شاه چارلز این قطرات شیشه‌ای را به انجمن سلطنتی سپرد و آنها نتیجه اولین تحقیقات علمی خود درباره خواص این شیشه‌ها را در سال ۱۶۶۱ منتشر کردند.

در طول قرن‌ها، دانشمندان ابهامات زیادی در مورد قطرات شاهزاده روپرت داشتند تا اینکه در سال ۱۹۹۴، چاندراسکار و یکی از همکارانش، با بهره‌گیری از یک دوربین پرسرعت با سرعت ثبت ۱ میلیون فریم تصویر در ثانیه، در هنگام شکستن این شیشه، از این قطرات عکاسی کردند. این تصاویر ثبت شده نشان داد که قطعات ریزی که در قسمت دم و پایانی قطرات قرار دارند، به سرعت به سمت سر قطره پخش می‌شوند.

طبق گفته چاندراسکار، زمانی که خرده شیشه‌ها به سرعت کافی می‌رسند (حدود ۱.۵ کیلومتر در ثانیه)، به دو نیم تقسیم می‌شوند و سپس دو تکه شیشه وقتی به سرعت کافی رسیدند، مجددا هریک به دو قسمت تقسیم می‌شوند و بدین ترتیب ساختار قطره کاملا با هزاران شکاف پوشیده می‌شود. چاندراسکار دراین باره گفته:« قسمت دم اشک جدا می‌شود ولی سر اشک به پودر تبدیل می‌شود و این بخش از ماجرا واقعا تماشایی است.»

سر قوی و دم ضعیف

این یافته‌ها نشان داد که چرا وارد کردن ضربه به دم اشک، به راحتی ساختار آن را از بین می‌برد. از آن زمان به بعد، دانشمندان سعی کردند تا ترکیب متناقض استحکام و شکنندگی در این قطرات شیشه‌ای را توضیح دهند ولی هرگز به توضیح رضایت‌بخشی درباره خواص این قطره و به ویژه غیرشکننده بودن بخش سر آن دست نیافتند.

در تحقیقات جدید، چاندراسکار، به سراغ تکنیک متفاوتی به نام "فوتو الاستیسیته یکپارچه" رفت تا از راز مقاوم بودن سر قطره شیشه‌ای سر در بیاورد. این تکنیک بدین ترتیب بود که قطرات شاهزاده روپرت را در یک حوضچه آب قرار داده و سپس امواج نور پلاریزه یا نوری که در یک صفحه منفرد جهت‌گیری شده را از این ماده عبور می‌دادند. تنش‌های درونی قطره شاهزاده روپرت، قطبش (پلاریزاسیون) نور را تغییر می‌داد. نگاهی به پلاریزاسیون (قطبش) امواج نور خروجی از طریق فیلترهای ویژه، از تنش‌های داخل قطره شاهزاده روپرت، که در این مورد در سر و دم قطره بود، حکایت داشت.

مشخص شد که بخش سر قطرات شاهزاده روپرت، سطح بسیار بالایی از تنش فشاری را تحمل می‌کنند که برابر با ۵۰ تن در هر اینچ مربع است (تنش فشاری نیرویی در واحد سطح است که چیزها را به هم فشرده و روی هم له می‌کند.)

این تنش‌ها به این دلیل شکل می‌گیرند که جنس شیشه مورد استفاده در این قطرات اشک (که با گرما به صورت چشمگیری منبسط می‌شوند)، هنگامی که در معرض آب سرد قرار می‌گیرند نیز به طرز چشمگیری منقبض خواهند شد.

روند ساخت قطرات شاهزاده روپرت

در طول فرآیند ساخت این قطرات، شیشه ذوب شده را در آب سرد فرو می‌کنند. زمانی که شیشه به آب برخورد می‌کند، بخش خارجی آن زودتر از بخش داخلی سرد می‌شود. لایه خارجی شیشه، نوعی "پوشش" را تشکیل می‌دهد که باعث فشرده شدن بخش داخلی می‌گردد. از آنجا که بخش داخلی قطره هنوز در حال سرد شدن است و به خاطر آنکه مجموع نیروهای وارد بر جسم باید برابر با صفر شود، بخش سر قطره، تنش‌های کششی را در داخل آن ایجاد می‌کند (به طور کلی، تنش کششی، نیرویی داخلی در واحد سطح است که چیزها را از هم جدا می‌کند؛ دقیقا مثل پاره کردن یک تکه کاغذ از وسط. تنش‌های کششی و فشاری در جهت مخالف هم عمل کرده و بنابراین همدیگر را خنثی می‌کنند.)

دلیل آنکه تنش فشاری در قسمت بیرونی قطرات، مانع از شکستگی آن می‌شود، موضوع تا حدودی شهودی است. فشرده‌سازی، در حقیقت له کردن اتم‌های شیشه و نزدیکتر کردن آنها به یکدیگر است. چرا که آنها جایی برای فرار کردن ندارند. شکستگی‌ها نیز به سادگی در موادی که تحت فشار هستند حرکت نمی‌کنند و برعکس، بیشتر مواد وقتی در حالت کشش از هم جدا می‌شوند، راحت شکسته می‌شوند.

حتی سر قطره هم شکستنی است

البته حتی این قطرات مقاوم در برابر شکست هم در نهایت تحت فشار، ترک می‌خورند؛ طبق گفته چاندراسکار، اگر سر قطره را در داخل یک گیره قرار داده و فشار کافی به آن وارد کنید، آن بخش هم در نهایت پودر خواهد شد. البته که این فرآیند، به زیبایی فرآیند شکستن دم قطره نخواهد بود. اما در نهایت این نتیجه حاصل می‌شود که هیچ چیزی غیرقابل شکستن نیست؛ حتی سر قطره شاهزاده روپرت!