סוף כל סוף, גלים אלסטיים

אם ניקח מולקולות גדולות של פולימר, נוסיף אותן לתמיסה ונגרום להן לזרום, למשל, באמצעות הטיית כלי הקיבול ויצירת מהירויות שונות בנקודות שונות, יתחולל דבר מה מופלא: המולקולות יימתחו תוך כדי תנועתן, והתמיסה – גם אם נראתה מימית קודם לכן – תהפוך לגמישה וצמיגית. תופעה זו, המכונה ויסקו-אלסטיות (או צמיגמישות אם תרצו), נובעת משדות המאמץ שיוצרות המולקולות הנמתחות. "מולקולות די-אן-אי ואר-אן-אי או מולקולות פולימר סינתטיות – כולן מתנהגות בדיוק כך", אומר פרופ' ויקטור שטיינברג מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. לפני כ-20 שנה תיארו פרופ' שטיינברג וחברי קבוצת המחקר שלו סוג חדש של זרימה כאוטית בנוזלים ויסקו-אלסטיים, שאותה כינו Elastic Turbulence. כעת הם מספקים עדויות לתופעה צמיגמישה נוספת: גלים אלסטיים.

גלים אלסטיים תוארו כבר לפני שנים בניתוחים של פיסיקאים תיאורטיים ממכון ויצמן למדע וממכון לנדאו לפיסיקה תיאורטית במוסקבה. עם זאת, התיאורטיקנים חזו כי איש לעולם לא יראה גלים אלה, מפני שהם דועכים במהירות בזרם האלסטי. "זרימה כאוטית אלסטית", מסביר פרופ' שטיינברג, "שונה, נניח, מנהר שוצף, שכן בנהר, הזרימה הכאוטית של המים אקראית, הן במרחב והן בזמן, בעוד בזרימה כאוטית אלסטית, הזרימה חלקה במרחב, אך אקראית בזמן". כשם שהזרימה האלסטית הינה יוצאת דופן, כך גם הגלים האלסטיים – בניגוד לגלי קול או לגלים באוקיינוס, שמהירותם תלויה בתכונות החומר, מהירות הגלים האלסטיים תלויה אך ורק במאמצים המופעלים על הפולימרים בעודם נמתחים בזרם. "האנלוגיה הקרובה ביותר לכך בחיי היום-יום שלנו", אומר פרופ' שטיינברג, "היא צליל הפריטה בכינור או בגיטרה – המושפע מכיוון המיתרים".

מאז גילוי הזרימה האלסטית, ביצעו פרופ' שטיינברג וקבוצת המחקר שלו ניסויים רבים למדידת המתיחה והמאמצים של מולקולת פולימר בודדת בתמיסה. מאחר שגלים אלסטיים לא נצפו בניסויים אלה, החוקרים הניחו כי הם דעכו מהר מכדי שאפשר יהיה לתעדם, כפי שניבאו התחזיות התיאורטיות.

"זרימה כאוטית אלסטית שונה, נניח, מנהר שוצף, שכן בנהר, הזרימה הכאוטית של המים אקראית, הן במרחב והן בזמן, בעוד בזרימה כאוטית אלסטית, הזרימה חלקה במרחב, אך אקראית בזמן"

כל זאת השתנה באחרונה כאשר פרופ' שטיינברג וד"ר אטול ורשני, חוקר בתר-דוקטוריאלי בקבוצתו, הבחינו לראשונה בגלים אלסטיים בזרימה במיקרו-צינורות בין שני מכשולים עם מרווחים גדולים ביניהם. "כעת אני מבין מדוע לא הצלחנו בניסיונות הקודמים", אומר פרופ' שטיינברג. "מצאנו גלים אלסטיים בטווח אורכי גל שונה מזה שחזתה התיאוריה – אורכי גל גדולים יותר עם דעיכה קטנה יותר". היות שמהירות הגל האלסטי נקבעת רק על-ידי המאמץ האלסטי, זוהי המדידה הישירה הראשונה של מאמץ בזרימה אלסטית.

החוקרים גילו גם כי ככל שהמתיחה בפולימרים גדולה יותר, כך מהירות הגל גדולה יותר – וכאשר המתיחה מִתְרַפֵּית, המהירות צונחת כמעט לגמרי. הגלים הקרובים ביותר לאלה שבהם צפו החוקרים הם מהסוג המופיע בפלזמה כאשר מופעל עליה מאמץ באמצעות שדה מגנטי. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications.

מלבד לתיאורטיקנים, שיצטרכו כעת להתאים את המודל לממצאים החדשים, התגליות עשויות להיות רלוונטיות גם לתחומים נוספים. זרימה של פולימרים בצינורות זעירים עשויה להסביר את תכונות הזרימה של נוזלים ביולוגיים בתא. בנוסף, לממצאים עשויות להיות השלכות על מיקרופלואידיקה – תחום ידע הצומח במהירות, במיוחד בהקשר של מערכות טכנולוגיות הפועלות בתווך נוזלי.

כך זורמים האלקטרונים

מערכת מיקרופלואידית אחרת במעבדתו של פרופ' שטיינברג שימשה באחרונה להדגמת תופעה, שלכאורה, כלל אינה קשורה לנוזלים ולזרימה: זרם חשמלי בחומר דו-ממדי. החומר הוא גרפן – שכבה בודדת של אטומי פחמן המאורגנים ברשת דמוית חוט תיל. החומר, שהתגלה לראשונה על-ידי חוקרים בבריטניה ב-2004, הוא מוליך-למחצה שהצית את דמיונם של חוקרים ברחבי העולם אשר זיהו אפשרות להשתמש בו לייצור כל דבר כמעט –  מהתקנים אלקטרוניים מתקפלים ועד לצבעים חכמים. עם זאת, המחקר הבסיסי בתחום עדיין עסוק בשאלות יסוד, כמו כיצד נעים אלקטרונים בשכבה דו-ממדית ייחודית זו. מחקרים קודמים הראו כי זרם האלקטרונים בגרפן כלל אינו דומה לזרימה של אלקטרונים בחוט נחושת – כלומר, חד-כיוונית ואחידה – אלא נוטה יותר להתנהג כמו נוזל צמיגי. מחקרים אחרים הראו כי באזורים מסוימים של שכבת הגרפן, האלקטרונים יכולים להסתובב ו"ללכת נגד הזרם" – בדומה למערבולות המופיעות בנוזל צמיגי.

זרימת מערבולת בחלל מלבני (החצים מסמנים את כיוון הזרימה)

מכיוון שקשה לצפות במערבולת אלקטרונים, בחרו החוקרים להדגים מערבולות אלה באמצעות הזרמת נוזלים בעלי צמיגות הקרובה לזו של אלקטרונים בגרפן בצינורות מיקרופלואידיים. פרופ' שטיינברג, ד"ר ורשני ותלמיד המחקר לשעבר, יונתן מייזל, מצאו שבכל האמור במערבולות, תוצאות הניסוי תאמו את התיאוריה. עם זאת, התגלה שהדמיון בין זרם אלקטרונים בגרפן למודל הקלאסי של זרימה צמיגית רב אף יותר: סף החיכוך הנדרש לתחילת מערבולות האלקטרונים, כפי שנחזה בתיאוריה, אומת אף הוא בניסוי בנוזל צמיגי. לפיכך, כפי שדווח בכתב-העת המדעי Nature Communications, נראה כי המודל התיאורטי הדו-ממדי של זרימת אלקטרונים בגרפן אכן מצוי בהלימה עם המודל הקלאסי של זרימת נוזל תלת-ממדית.