(PhysOrg.com) -- Machines op nanoschaal zullen naar verwachting een brede toepassing hebben in de industrie, energie, geneeskunde en andere gebieden kunnen op een dag veel efficiënter werken dankzij belangrijke theoretische ontdekkingen met betrekking tot de manipulatie van beroemde Casimir-troepen die plaatsvonden in het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy.

Het baanbrekende onderzoek, uitgevoerd door middel van wiskundige simulaties, onthulde de mogelijkheid van een nieuwe klasse materialen die een afstotende kracht kunnen uitoefenen wanneer ze zeer dicht bij elkaar worden geplaatst. De afstotende kracht, die gebruik maakt van een kwantumfenomeen dat bekend staat als het Casimir-effect, kan ooit toestaan ​​dat machines op nanoschaal mechanische wrijving overwinnen.

Hoewel de wrijvingskrachten in omgevingen op nanoschaal klein zijn, ze remmen aanzienlijk de functie van de kleine apparaten die zijn ontworpen om in dat rijk te werken, legde Costas Soukoulis uit, een senior natuurkundige aan het Ames Lab en Distinguished Professor of physics aan de Iowa State University, die het onderzoek leidde.

Soukoulis en zijn teamgenoten, waaronder Ames Laboratory assistent-wetenschapper Thomas Koschny, waren de eersten die het gebruik van exotische materialen, bekend als chirale metamaterialen, bestudeerden als een manier om het Casimir-effect te benutten. Hun inspanningen hebben aangetoond dat het inderdaad mogelijk is om de Casimir-macht te manipuleren. De bevindingen werden op 4 september gepubliceerd, 2009 uitgave van Fysieke beoordelingsbrieven , in een artikel getiteld, "Afstotende Casimir-kracht in chirale metamaterialen."

Om het belang van hun ontdekking te begrijpen, is een basiskennis van zowel het Casimir-effect als de unieke aard van chirale metamaterialen vereist.

Het Casimir-effect is genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir, die het bestaan ​​ervan in 1948 postuleerde. Met behulp van de kwantumtheorie, Casimir voorspelde dat energie zelfs in een vacuüm zou moeten bestaan, die kunnen leiden tot krachten die inwerken op de lichamen die dicht bij elkaar worden gebracht. Voor het eenvoudige geval van twee evenwijdige platen, hij postuleerde dat de energiedichtheid binnen de opening zou moeten afnemen naarmate de grootte van de opening kleiner wordt, wat ook betekent dat er werk moet worden verzet om de platen uit elkaar te trekken. Alternatief, er bestaat een aantrekkingskracht die de platen dichter bij elkaar duwt.

Casimirkrachten die experimenteel in de natuur zijn waargenomen, zijn bijna altijd aantrekkelijk geweest en hebben machines op nanoschaal en microschaal onbruikbaar gemaakt door ervoor te zorgen dat hun bewegende delen permanent aan elkaar blijven kleven. Dit is een al lang bestaand probleem dat wetenschappers die aan dergelijke apparaten werken met moeite hebben opgelost.

Opmerkelijk, deze nieuwe ontdekking toont aan dat een weerzinwekkend Casimir-effect mogelijk is met behulp van chirale metamaterialen. Chirale materialen delen een interessant kenmerk:hun moleculaire structuur voorkomt dat ze over een omgekeerde kopie van zichzelf worden gelegd, op dezelfde manier kan een menselijke hand niet perfect bovenop een omgekeerd beeld van zichzelf passen. Chirale materialen komen vrij veel voor in de natuur. Het suikermolecuul (sucrose) is daar een voorbeeld van. Echter, natuurlijke chirale materialen zijn niet in staat om een ​​weerzinwekkend Casimir-effect te produceren dat sterk genoeg is om praktisch bruikbaar te zijn.

Om die reden, de groep richtte zijn aandacht op chirale metamaterialen, zo genoemd omdat ze niet in de natuur voorkomen en in plaats daarvan in het laboratorium moeten worden gemaakt. Het feit dat ze kunstmatig zijn, geeft ze een uniek voordeel, merkte Koschny op. "Met natuurlijke materialen moet je nemen wat de natuur je geeft; met metamaterialen, u kunt een materiaal maken dat precies aan uw eisen voldoet, " hij zei.

De chirale metamaterialen waarop de onderzoekers zich concentreerden, hebben een unieke geometrische structuur die hen in staat stelde de aard van energiegolven te veranderen, zoals die in de opening tussen de twee dicht bij elkaar geplaatste platen, waardoor die golven een afstotende Casimir-kracht uitoefenen.

De huidige studie werd uitgevoerd met behulp van wiskundige simulaties vanwege de moeilijkheden bij het vervaardigen van deze materialen met halfgeleiderlithografische technieken. Hoewel er meer werk moet worden verzet om te bepalen of chirale materialen een afstotende Casimir-kracht kunnen induceren die sterk genoeg is om wrijving in apparaten op nanoschaal te overwinnen, praktische toepassingen van het Casimir-effect worden al nauw bestudeerd bij andere DOE-faciliteiten, waaronder de nationale laboratoria Los Alamos en Sandia. Beiden hebben grote interesse getoond in het gebruik van de chirale metamaterialen die zijn ontworpen door Ames Laboratory om nieuwe structuren te fabriceren en de aantrekkelijke Casimir-kracht te verminderen, en mogelijk om een ​​afstotende Casimir-kracht te verkrijgen.

Bron:Ames Laboratory (nieuws:web)