Onderzoekers van Technion—Israel Institute of Technology, Technische Universität Darmstadt, en IBM Research Europe hebben onlangs een nieuwe strategie voorgesteld om gelijktijdig hydrodynamische verhulling en afscherming op microschaal te bereiken. Hoewel het idee om objecten te verhullen of af te schermen al een tijdje bestaat, in tegenstelling tot andere eerder ontwikkelde methoden stelt de door hen voorgestelde techniek natuurkundigen in staat dynamisch te schakelen tussen deze twee toestanden.

“Toen we met ons onderzoek begonnen, we waren op de hoogte van werk in deze richting dat gebaseerd is op poreuze metamaterialen, "Steffen Hardt, die het onderzoeksteam van de TU Darmstadt leidde, vertelde Phys.org. "Ons idee was dat je dergelijke metamaterialen niet nodig hebt als je momentum kunt injecteren in een gebied rond het object dat moet worden verhuld / afgeschermd. Effectief, dit betekent dat je het externe stromingsveld superponeert door een lokaal stromingsveld op maat. Als resultaat, het totale stroomveld (extern en lokaal) komt zo naar buiten dat verhulling of afscherming wordt bereikt."

Als onderdeel van hun eerdere studies, de onderzoekers ontwikkelden methoden om lokaal momentum te injecteren met behulp van wat bekend staat als elektro-osmotische stroming (d.w.z. beweging van vloeistoffen die typisch worden veroorzaakt door een aangelegde spanning over een poreus materiaal of andere vloeistofleidingen). Het belangrijkste doel van hun nieuwe studie was om een ​​nieuwe methode te demonstreren om objecten in een vloeistofstroom te verhullen/afschermen en deze functionaliteit real-time adaptief te maken, zoals eerder voorgestelde benaderingen op basis van metamaterialen dat niet zijn.

Het nieuwe cloaking/shielding-principe kwam tot stand dankzij een nauwe samenwerking tussen Ph.D. studenten Evgeniy Boyko en Michael Eigenbrod, die de theorie heeft uitgewerkt, en Vesna Bacheva die de experimenten uitvoerden. In hun experimenten, de onderzoekers plaatsten een object in het midden van een microfluïdische kamer, bestaande uit twee evenwijdige platen gescheiden door een kleine opening (enkele tientallen micrometers groot). Vervolgens vulden ze de kamer met water en oefenden een drukverschil uit tussen de inlaat en uitlaat. Hierdoor konden ze een hydrodynamische stroming rond het object genereren.

"Cloaking (waardoor het stromingsveld buiten een bepaald gebied rond het object lijkt alsof er geen object is) of afscherming (het elimineren van de krachten die de stroming op het object uitoefent) vereist een nauwkeurige controle van de vloeistofsnelheid in het gebied rond het object object, " zei Moran Bercovici, die het deel van het team bij Technion leidde. "We hebben dit bereikt door lokaal momentum te injecteren met behulp van een elektrokinetisch fenomeen dat veldeffect-elektro-osmose wordt genoemd."

Om capacitieve controle over de lokale oppervlaktelading te verkrijgen, het team heeft een elektrode op de bodem van het microfluïdische apparaat ingebed en zijn elektrische potentiaal aangepast. Ionen met een tegengestelde lading in het water beschermden het oppervlak, het vormen van wat bekend staat als een elektrische dubbellaag.

"Het aanbrengen van een extern elektrisch veld langs het kanaal oefent een kracht uit op de mobiele ladingen, die de rest van de vloeistof met zich meedragen door viskeuze interactie, Hardt legde uit. "Dit effect kan worden gezien als een 'transportband' die aan de oppervlakte wordt geplaatst, waarvan de snelheid kan worden geregeld door de potentiaal van de elektrode. De geïnduceerde snelheid kan dynamisch worden aangepast om te schakelen tussen omstandigheden die verhulling en afscherming opleveren."

Opmerkelijk, het verhul/afschermingsmechanisme dat voortvloeit uit de door het team gebruikte strategie kan in realtime worden aangepast. Met andere woorden, het stelt onderzoekers in staat om cloaki/shield-effecten aan en uit te zetten; of heen en weer schakelen tussen verhullende en afschermende omstandigheden.

De nieuwe techniek en het nieuwe paradigma dat door dit team van onderzoekers is geïntroduceerd, kan ook gevolgen hebben voor andere gebieden van de natuurkunde. Bijvoorbeeld, het zou natuurkundigen in staat kunnen stellen objecten in elektromagnetische of akoestische velden te verhullen.

Algemeen, het principe uiteengezet in de recente paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , kan worden gebruikt om te bepalen hoe een object interageert met een vloeistofstroom (bijv. welke kracht de stroom op het object uitoefent). Dit zou met name nuttig kunnen zijn voor het bestuderen van de effecten van vloeistofstroom op biologische systemen, zoals cellen.

"Het principe dat we gebruikten voor impulsinjectie in een stroom kan zeer verfijnd worden als we niet alleen een enkele elektrode gebruiken (zoals in ons recente artikel), maar een reeks individueel adresseerbare elektroden, " voegde Federico Paratore toe, van IBM Research Europe. "Dit zou ongekende mogelijkheden bieden voor het vormgeven van een stromingsveld, veel verder gaan dan alleen verhul- of afschermingsmodi."

© 2021 Science X Network