Forskare vid Technion—Israel Institute of Technology, Technische Universität Darmstadt, och IBM Research Europe har nyligen föreslagit en ny strategi för att samtidigt uppnå mikroskalig hydrodynamisk cloaking och skärmning. Medan idén om att täcka eller skydda föremål har funnits ett tag nu, i motsats till andra tidigare utvecklade metoder tillåter tekniken de föreslog fysiker att dynamiskt växla mellan dessa två tillstånd.

"När vi började med vår forskning, vi var medvetna om arbete i denna riktning som är baserat på porösa metamaterial, "Steffen Hardt, som ledde forskargruppen vid TU Darmstadt, berättade för Phys.org. "Vår idé var att du inte behöver sådana metamaterial om du kan injicera momentum i ett område runt objektet som ska täckas/skärmas. Effektivt, detta innebär att du överlagrar det externa flödesfältet av något skräddarsytt lokalt flödesfält. Som ett resultat, det totala flödesfältet (externt och lokalt) kommer ut så att cloaking eller avskärmning uppnås."

Som en del av sina tidigare studier, forskarna utvecklade metoder för att lokalt injicera momentum med hjälp av vad som kallas elektroosmotiskt flöde (dvs. rörelse av vätskor som typiskt induceras av en pålagd spänning över ett poröst material eller andra vätskeledningar). Huvudsyftet med deras nya studie var att demonstrera en ny metod för att täcka/skärma föremål i ett vätskeflöde och göra denna funktionalitet adaptiv i realtid, som tidigare föreslagna metoder baserade på metamaterial inte är.

Den nya cloaking/avskärmningsprincipen trädde i kraft tack vare ett nära samarbete mellan Ph.D. eleverna Evgeniy Boyko och Michael Eigenbrod, som utarbetade teorin, och Vesna Bacheva som utförde experimenten. I deras experiment, forskarna placerade ett föremål i mitten av en mikrofluidkammare, består av två parallella plattor åtskilda av ett litet gap (några tiotals mikrometer i storlek). De fyllde sedan kammaren med vatten och applicerade en tryckskillnad mellan dess inlopp och utlopp. Detta gjorde det möjligt för dem att generera ett hydrodynamiskt flöde runt objektet.

"Döljning (som gör att flödesfältet utanför ett visst område runt föremålet ser ut som om det inte finns något föremål) eller avskärmning (eliminerar krafterna som flödet utövar på föremålet) kräver en noggrann kontroll av vätskehastigheten i området som omger föremålet objekt, sade Moran Bercovici, som ledde delen av teamet på Technion. "Vi uppnådde detta genom att lokalt injicera momentum med hjälp av ett elektrokinetiskt fenomen som kallas fälteffekt elektroosmos."

För att uppnå kapacitiv kontroll över den lokala ytladdningen, teamet bäddade in en elektrod i botten av mikrofluidenheten och justerade dess elektriska potential. Joner med motsatt laddning som fanns i vattnet skyddade ytan, bildar det som kallas ett elektriskt dubbelskikt.

"Att applicera ett externt elektriskt fält längs kanalen utövar en kraft på mobilladdningarna, som bär resten av vätskan med sig genom viskös interaktion, " förklarade Hardt. "Denna effekt kan ses som 'transportband' placerat på ytan, vars hastighet kan styras av elektrodens potential. Den inducerade hastigheten kan modifieras dynamiskt för att växla mellan förhållanden som ger cloaking och skärmning."

Anmärkningsvärt, cloaking/avskärmningsmekanismen som är ett resultat av den strategi som används av teamet kan anpassas i realtid. Med andra ord, det tillåter forskare att slå på och av cloaki/shield-effekter; eller växla fram och tillbaka mellan cloaking och skärmningsförhållanden.

Den nya tekniken och det nya paradigmet som introducerats av detta team av forskare kan också få konsekvenser för andra fysikområden. Till exempel, det kan tillåta fysiker att dölja objekt i elektromagnetiska eller akustiska fält.

Övergripande, principen som beskrivs i den nyligen publicerade publikationen i Fysiska granskningsbrev , kan användas för att bestämma hur ett objekt interagerar med ett vätskeflöde (t.ex. vilken kraft flödet utövar på föremålet). Detta kan visa sig vara särskilt användbart för att studera effekterna av vätskeflöde på biologiska system, såsom celler.

"Principen vi använde för momentuminjektion i ett flöde kan bli mycket förfinad om vi inte bara använder en enda elektrod (som i vår senaste artikel), men en rad individuellt adresserbara elektroder, " tillade Federico Paratore, från IBM Research Europe. "Detta skulle tillåta oöverträffade möjligheter att forma ett flödesfält, går mycket längre än bara cloaking eller skärmningslägen."

© 2021 Science X Network