نظريه ي جديد محققان ايراني براي تبيين برهمکنش سطوح خنثي
در تحقیقات گستردهای که اخیراً پژوهشگرانی از ایران با همکاری پژوهشگرانی از کشورهای اسلونیا، آمریکا، انگلستان و فرانسه به انجام رساندهاند، با ارائه یک نظریه سیستماتیک، موفق به توضیح نیرویِ نامتعارفی شدهاند که به تازگی در آزمایشهای اثر کازیمیر مشاهده شدهاست. این نظریه نشان میدهد که حتی موادی که در کل از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، اما بارهای الکتریکی مثبت و منفیاي دارند که به صورت تصادفی (random) در روی سطح یا در حجم آنها توزیع شدهاند، میتوانند یکدیگر را با نیروهایی بسیار بلندبرد جذب یا دفع کنند.

این تحقیقات چارچوبی برای مطالعه برهمکنش لایهها و سطوح جامد در فواصل زیرِ میکرون، و حتی برهمکنش بیومولکولهای زیستی (از جمله نانوکلوییدها و پروتئینها) و غیره فراهم میکند و میتواند در علوم نانو و بالاخص ساخت و طراحی ماشینهای نانو از جمله NEMS نیز کاربرد داشته باشد.

یکی از پدیدههای شگفتانگیزی که در فیزیک معاصر در طی چند دهه اخیر مورد توجه فیزیکدانهای نظری و تجربی در تقریبا تمام بخشهای پژوهشی قرار گرفتهاست، اثر کازیمیر است. این اثر برای نخستین بار در سال ۱۹۴۸ بهوسیلهی هندریک کازیمیر پیشبینی شد. کازیمیر پیشبینی کرد که چنانچه دو سطح فلزی ایدهال و کاملا خنثی در خلاءِ کامل و عاری از هر گونه ماده و تشعشع خارجی در دمای صفرِ مطلق قرار داده شوند یکدیگر را با یک نیروی متناهی جذب میکنند.

این نتیجه در واقع نشان میدهد که نیرویی از هیچ بین دو صفحه فلزی پدیدار میشود. این نتیجه در ابتدا غیربدیهی به نظر میرسید، اما این اثر و منشأ آن به برخی از بنیادیترین قوانین فیزیک نوین از جمله فیزیک کوانتومی و نسبیتی پیوند خوردهاست. این نیرو در واقع ناشی از این حقیقت است که بر اساس فیزیک کوانتومی خلا نمیتواند مطلقاً خالی باشد بلکه دارای حالت پایهای است که حاوی انرژیای نامتناهی است که به عنوان انرژیِ نقطة صفر شناخته میشود.

در حضور دو سطح فلزی، طیف کوانتومی خلاءِ الکترومغناطیسی تغییر میکند و در واقع کاهیده میشود که منجر به ایجاد نیروی جاذبة کازیمیر بینِ دو سطح میگردد. بررسی اثر فوق برای مواد واقعی که طبعاً متفاوت با فلز ایدهال هستند برای اولین بار توسط لیفشیتز در سال ۱۹۵۶ ارائه شد. بر اساس نظریه لیفشیتز برای محاسبه نیروی کازیمیر بین دو ماده به تابع دیالکتریک مواد در فضای فرکانس نیاز است.

وجود اثر کازیمیر و نیروی ناشی از آن – که به عناوین مختلفی از جمله نیروی کازیمیر، نیروی کازیمیر-لیفشیتز (Casimir-Lifshitz)، یا نیروی کازیمیر-واندروالس (Casimir-Van der Waals) شناخته میشود – در بخشهای مختلف علوم پایه از فیزیک تا شیمی و بیولوژیِ مولکولی دارای اهمیتی فوقالعاده زیاد است.

دکتر علی ناجی از پژوهشگاه دانشهای بنیادی(IPM) و دانشگاه کمبریج انگلستان با همکاری دکتر جلال سرآبادانی از موسسه ماکس پلانک در ماینزِ آلمان و دانشگاه اصفهان، و پژوهشگران همکارِشان از دانشگاههای لیوبلیانا در اسلونیا، ماساچوست (Amherst) در آمریکا، کمبریج انگلستان و بوردویِ فرانسه اخیراً توجه خود را به بررسی برهمکنش و نیروهای عامل بین سطوح بارداری معطوف کردهاند که توزیع بارالکتریکی بر روی سطح آنها به صورت تصادفی یا کاتورهای (random) یا ناهمگن (heterogeneous) پخش شده است.

این مطالعات در ابتدا تماماً معطوف به سیستمهایی بود که در زمینه موضوعیِ مربوط به مواد نرم (soft matt ER و بیوفیزیک (biophysics) قرار میگیرند. دکتر ناجی در مصاحبهای در اینباره با بخش خبری ستاد ویژه توسعه فناوری نانو گفت: «انگیزش ابتدایی مطالعات ما بین سالهای 2004 تا 2008 بررسی رفتارِ فیزیکیِ موادی بود که غالباً در سیستمهای زیستشناختی (biological) یافت میشوند از جمله کلوییدها، پلیمرها، پروتئینها و غشاهای سلولی که سطوح آنها غالباً از بار الکتریکی با توزیع تصادفی یا ناهمگن پوشیده شدهاست. بهطور مشخص، سطوح باردار در این سسیستمها همیشه در محلولی باردار از یونهای آزاد قرار دارند. این محلولهای یونی با نامهای مختلفی از جمله شارههای کولمبی یا پلاسماهای دمای اتاق و یا الکترولیت شناخته میشوند و باعث پیچیدگیهای ریاضی خاصی در نظریههای مربوط به این سیستمها میگردند.»

در سال 2008 توجه تحقیقاتی این تیم به مسئله بینظمی و ناهمگنی توزیعِ بار الکتریکی در مسئله اثر کازیمیر در خلاء معطوف گردید که شباهتهای نزدیکی با مسائل فوق نشان میداد. مطالعات بعدی ایشان که تاکنون نیز ادامه دارد، نتایجی به همراه داشته است که منجر به نشر چندین مقاله شدهاست که به مقولات ویژهای که میتواند حائز اهمیت فراوان در علوم نانو باشد مربوط میشود. به عنوان نمونه نتایج تازهای از مطالعات این دانشمندان که در مجله The European Physical Journal E در سال 2012 چاپ گردید، مورد توجه جامعه علمی قرار گرفت و در صدر اخبار برخی از مهمترین سایتهای خبری-علمی بینالمللی مطرح گردید.

مشاهده تجربی اثر کازیمیر از بدو پیشبینی آن همواره مورد توجه فیزیکدانها بوده است. علی رغم شواهد غیرِ مستقیم ِفراوان، اندازهگیری مستقیم نیروی بین دو ماده در خلا همواره با چالش روبرو بودهاست. در سالهای اخیر با پیشرفت و ابداع روشهای آزمایشگاهی موسوم به اندازهگیری با حساسیتِ بسیار بالا (Ultra-high Sensitivity)، بحثِ اندازهگیری نیروی کازیمیر وارد برهه جدیدی شده است.

دکتر ناجی در رابطه با کار تحقیقاتی تیم حاضر، اضافه کرد: «مشاهدات آزمایشگاهی با حساسیت بالا که اخیراً انجام گرفته است یافتههای پیشین در اندازهگیری اثر کازیمیر را تا حدودی زیر سوال برده است. اندازهگیریهای اخیر نشان داده است که مشاهده مستقیم این اثر چندان بدیهی نیست بلکه به علت وجود بینظمیهای طبیعی در مواد، یک نیروی نامتعارفِ بسیار بلند بردِ دیگر بین سطوحِ مورد آزمایش دیده میشود که اثر اصلی را کاملاً تحت الشعاع قرار میدهد. بنابراین پیشنهاد شده است که برای بهدست آوردن نیروی اصلی کازیمیر ابتدا باید این نیروی نامتعارفِ بلندبرد شناخته شده و از نیروی کل مشاهده شده حذف شود. من و همکارانم در سال 2010 یک نظریه سیستماتیک برای توضیح این نیروی نامتعارف بر اساس بینظمی بار الکتریکی ارائه کردیم که در ذیل مختصراً به شالوده آن اشاره میکنم.»