ژانوس، خدای تغییر در روم بود و دو صورت داشت. یکی از آن ها به گذشته می‌نگریست و دیگری در پی آینده بود. امروزه در علم جدید، همین نام را برای توصیف کره‌های بسیار کوچکی استفاده می‌کنند که با از یک طرف با بک ماده و از طرف دیگر با ماده دیگری پوشانده می‌شوند. نکته جالب این جاست که بعضی از «کره‌های ژانوس» وقتی در یک محلول شیمیایی قرار می‌گیرند، می‌توانند خودشان را در جهتی خاص حرکت دهند؛ البته چرایی این اتفاق هنوز یک راز است.

حالا مانوژ مانجار[1] و ییپینگ ژائو[2] از دانشگاه جورجیا به همراه بو یانگ[3] از دانشگاه تگزاس نشان داده‌اند که کره‌های ژانوس به این دلیل خودشان را حرکت می‌دهند که یکی از روهای کره، حباب‌ها را می‌ترکاند. پژوهشگران به این خاطر به کره‌های ژانوس علاقمند هستند که مثالی از یک نوع «میکروموتور» هستند که خودشان را در ماده شیمیایی حرکت می‌دهند. مطالعه این موتورها نه تنها روشن می‌کند که سلول‌های زنده ساده چطور خودشان را حرکت می‌دهند بلکه به دانشمندان کمک می‌کند تا ماشین‌های بسیار کوچکی بسازند که مثلا می‌توانند داروها را به بخش‌های خاصی از بدن برسانند.

یکی از اعضای موردتوجه خانواده ریزموتورها، ساختارهایی هستند که از دو نوع مختلف ماده ساخته شده‌اند که هر کدام به نحوی متفاوت با محیط برهمکنش می‌کند. این‌ها می‌توانند استوانه‌هایی با مواد مختلف در هر انتها باشند یا کره‌های ژانوسی با نیم کره‌های پوشانده‌شده با دو ماده مختلف. یکی از این مواد اغلب کاتالیزوری مانند پلاتینیم است که آهنگ تبدیل مثلا پرواکسید هیدروژن به آب و اکسیژن را تسریع می‌کند. واکنش شیمیایی در طرف کاتالیزور موتور، با آهنگ بسیار سریع‌تری رخ می‌دهد و این آزادسازی نامتقارن انرژی شیمیایی تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود.

سازوکارهای رازآلود

با این حال، برای بسیاری از میکروموتورها هیچ کس کاملا نمی‌داند که این تبدیل چگونه اتفاق می‌افتد. در مورد ذرات ژانوس، دانشمندان فکر کرده بودند که پیشرانش ناشی از ساخت حباب‌های اکسیژن در سطح کاتالیزور است. این حباب ها سپس سطح را ترک می‌کنند و به موتور تکانه می‌رساند. با این که پیشرانش حباب در میکروموتورهای لوله ای دیده شده، در کره‌ها دیده نشده است. البته محاسبات هم این نتیجه را تایید می‌کند زیرا به دلیل خمش‌های نسبتا بزرگ، شکلگیری حباب‌های بسیار کوچک غیرمحتمل است[4].  

محققان در کار جدیدشان تلاش کرده‌اند تا ذرات ژانوس را حین ترکیدن حباب‌ها گیر بیندازند. این گروه آزمایش‌های خود را در محلول 5% پرواکسید هیدروژن در آب انجام دادند و رفتار میکروموتورها را با استفاده از دوربین CCD سریع ثبت کردند. آن‌ها  به ذرات ژانوسی با قطر 2-50 میکرومتر نگاه کردند که یک روی آن‌ها با تیتانیم و روی دیگر با پلاتینیم پوشانده شده بود.

قطر کمینه برای حباب ها

با استفاده از دوربین، گروه دریافت که هیچ حبابی کوچکتر از 10 میکرومتر در کره‌ها شکل نمی‌گیرد و هرچقدر قطر کره‌ها افزایش یابد، حباب ها راحت‌تر شکل می‌گیرند؛ این مشاهده محاسبات قبلی را تایید کرد. با توجه به کره‌های منفرد، این سه نفر حباب‌هایی را نگاه کردند که بیش از 0.1 ثانیه عمر می‌کردند. در مورد کره 45 میکرومتری، حباب پیش از ترکیدن به قطر 73 میکرومتری رسید و این فرایند در حدود 50 میکروثانیه طول کشید.

به همان نسبت که حباب‌ها رشد می‌کنند، دانه‌ها اندکی از مرکز حباب جابجا می‌شوند. ولی وقتی حباب می‌ترکد، افت ناگهانی فشار دانه را باز می‌گرداند و آن را به طرف پلاتینیم می فرستد. اگرچه حرکات ناشی از حباب‌ها در ساختارهای بزرگتر دیده شده، این گروه ادعا می‌کند این اولین بار است که حرکت ناشی از حباب در میکروموتورها دیده شده است. وارسی دقیق‌تر عکس‌ها نشان می‌دهد که بعضی از دانه‌ها به سرعت تا 14 سانتی‌متر بر ثانیه دست می‌یابند و قبل از توقف به خاطر پسای[5] آب، حدود 0.2 ثانیه حرکت می‌کنند.

این سه نفر با ترکیب معادلات توصیفگر رشد حباب‌، پسای گرانروی آب و افت فشار در هنگام ترکیدن حباب‌، توضیحی نظری برای سازوکار پیشرانش ارایه داده‌اند. گروه باور دارد که چهارچوب نظری‌اش می‌تواند برای توصیف سازوکار پیشرانش در دیگر میکروموتورها و نانوموتورها حبابی مفید باشد. این پژوهش در فیزیکال ریویو لترز منتشر شد.

منبع:

Bursting bubbles drive micromotors, Hamish Johnston, physicsworld.com, 25 September 2012.

مرجع:

Bubble Driven Quasioscillatory Translational Motion of Catalytic Micromotors, Manoj Manjare, Bo Yang, and Y.-P. Zhao, Phys. Rev. Lett. 109, 128305.