Ερευνητές δημιούργησαν ένα υλικό που αιωρείται χωρίς τη χρήση εξωτερικής ενέργειας

Μια ερευνητική ομάδα από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) στην Ιαπωνία, δημιούργησε μια αιωρούμενη πλατφόρμα χρησιμοποιώντας γραφίτη και μαγνήτες, η οποία λειτουργεί χωρίς εξωτερικές πηγές ενέργειας. Το επίτευγμα αυτό ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη υπερευαίσθητων αισθητήρων.

Αντικείμενα που έχουν κατασκευαστεί από υπεραγωγούς ή διαμαγνητικά υλικά (δηλαδή μπορούν να απωθηθούν από ένα μαγνητικό πεδίο) μπορούν να αιωρηθούν πάνω από μαγνήτες. Η αρχή αυτή χρησιμοποιείται επίσης στη μαγνητική αιώρηση, όπου υπεραγώγιμοι μαγνήτες δημιουργούν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο όπου τα διαμαγνητικά υλικά αιωρούνται, επιτρέποντας σε αντικείμενα να ταξιδεύουν με υψηλές ταχύτητες, όπως τα τρένα.

Η τεχνολογία αυτή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη προηγμένων αισθητήρων για καθημερινή χρήση. Το εργαστήριο του Τζέισον Τουάμλεϊ, κβαντικό ερευνητή στο OIST, χρησιμοποιεί αιωρούμενα υλικά για την κατασκευή ταλαντωτών, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη υπερευαίσθητων αισθητήρων. Η κατασκευή αυτών των ταλαντωτών που λειτουργούν χωρίς τη χρήση εξωτερικών πηγών ενέργειας μπορεί να καταστήσει ευκολότερη την ανάπτυξή τους.

Ο γραφίτης, η κρυσταλλική μορφή άνθρακα που βρίσκεται στα μολύβια, απωθείται έντονα από τους μαγνήτες- είναι δηλαδή εξαιρετικά διαμαγνητικός. Επικαλύπτοντας χημικά μια σκόνη μικροσκοπικών σφαιριδίων γραφίτη με διοξείδιο του πυριτίου και αναμειγνύοντας την επικαλυμμένη σκόνη σε κερί, οι ερευνητές σχημάτισαν μια λεπτή τετράγωνη πλάκα μεγέθους ενός εκατοστού, η οποία αιωρείται πάνω από μαγνήτες που έχουν τοποθετηθεί σε μοτίβο πλέγματος.

Ποια εμπόδια έπρεπε να ξεπεράσουν οι ερευνητές

Η δημιουργία μιας αιωρούμενης πλατφόρμας που δεν απαιτεί εξωτερική ενέργεια έχει αρκετές προκλήσεις. Η μεγαλύτερη πρόκληση είναι η λεγόμενη μείωση του στροβιλισμού, η οποία συμβαίνει όταν ένα ταλαντευόμενο σύστημα χάνει ενέργεια με την πάροδο του χρόνου λόγω εξωτερικών δυνάμεων. Όταν ένας ηλεκτρικός αγωγός, όπως ο γραφίτης, περνά μέσα από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, υφίσταται απώλεια ενέργειας λόγω της ροής ηλεκτρικών ρευμάτων. Αυτή η απώλεια ενέργειας έχει αποθαρρύνει τη χρήση της μαγνητικής αιώρησης για την ανάπτυξη προηγμένων αισθητήρων.

Οι επιστήμονες θέλησαν να κατασκευάσουν μια πλατφόρμα που θα μπορεί να αιωρείται και να ταλαντώνεται χωρίς απώλεια ενέργειας — που σημαίνει ότι μόλις τεθεί σε κίνηση, θα συνεχίσει να ταλαντώνεται για μεγάλο χρονικό διάστημα, ακόμη και χωρίς πρόσθετη εισροή ενέργειας. Αυτός ο τύπος πλατφόρμας θα μπορούσε να έχει πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων νέων τύπων αισθητήρων για τη μέτρηση της δύναμης, της επιτάχυνσης και της βαρύτητας.

Ωστόσο, η ομάδα έπρεπε να αντιμετωπίσει και μια άλλη πρόκληση: την ελαχιστοποίηση της κινητικής ενέργειας της ταλαντούμενης πλατφόρμας. Η μείωση αυτής της ενέργειας είναι σημαντική γιατί αφενός, η πλατφόρμα είναι πιο ευαίσθητη και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας και αφετέρου, η ψύξη της κίνησής της προς το κβαντικό καθεστώς (όπου κυριαρχούν τα κβαντικά φαινόμενα) θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για πιο ακριβείς μετρήσεις.

Το πείραμα

Οι ερευνητές παρακολουθούσαν συνεχώς την κίνηση της πλατφόρμας. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο, εφάρμοσαν μαγνητική δύναμη ανάδρασης για να μειώσουν την κίνηση της πλατφόρμας –ψύχοντάς την και επιβραδύνοντάς την σημαντικά.

«Η θερμότητα προκαλεί κίνηση, αλλά με τη συνεχή παρακολούθηση και την παροχή ανατροφοδότησης σε πραγματικό χρόνο με τη μορφή διορθωτικών ενεργειών στο σύστημα, μπορούμε να μειώσουμε αυτή την κίνηση», εξήγησε ο ερευνητής.

«Η ανατροφοδότηση ρυθμίζει τον ρυθμό μείωσης του συστήματος, δηλαδή το πόσο γρήγορα χάνει ενέργεια, οπότε ελέγχοντας ενεργά την απόσβεση, μειώνουμε την κινητική ενέργεια του συστήματος, ψύχοντάς το ουσιαστικά» πρόσθεσε.

Με την περαιτέρω ψύξη του συστήματος, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η πλατφόρμα τους μπορεί να ξεπεράσει τα πιο ευαίσθητα ατομικά βαρυτήμετρα– όργανα που μετρούν τις μεταβολές της έντασης της βαρύτητας του γήινου πεδίου.

«Η επίτευξη αυτού του επιπέδου ακρίβειας απαιτεί αυστηρή μηχανική για την απομόνωση της πλατφόρμας από εξωτερικές διαταραχές, όπως δονήσεις, μαγνητικά πεδία και ηλεκτρικό θόρυβο», εξήγησε ο επιστήμονας. «Οι τρέχουσες μελέτες μας επικεντρώνονται στην τελειοποίηση αυτών των συστημάτων για να ξεκλειδώσουμε το πλήρες δυναμικό αυτής της τεχνολογίας» κατέληξε.

Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στην επιστημονική επιθεώρηση «Applied Physics Letters».