پیشرفت‌های حاصل در فهم بنیادی ویژگی‌های اجزای تشکیل دهنده‌ی هسته و نیروهایی که آنها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد، همراه با بهبود توانایی‌های تجربی، روح تازه‌ای به این رشته دمیده است. وجوه اشتراک فزاینده‌ی میان فیزیک هسته‌ای و سایر شاخه‌های نزدیک به آن، مخصوصاً فیزیک ذرات، اختر فیزیک، و فیزیک اتمی، وسعت و تنوع جدیدی به مسائل مورد علاقه‌ی فیزیکدانهای هسته‌ای بخشیده است. در مطالعه‌ی ساختار هسته به کمک پراکندگی دقیق الکترون، معلوم شده است که اجزای تشکیل دهنده‌ی هسته درست همان خواص نوکلئونهای آزاد را ندارند. درک این پدیده‌ها برحسب ویژگی‌های محیط هسته‌ای، عرصه‌ی مهمی را در کنکاش‌های آینده پیش روی ما می‌گذارد. در زمینه‌ی دیگری از مطالعات ساختار هسته، بررسی‌های به عمل آمده برای پی بردن به این موضوع که چگونه هسته‌ها خود را با گشتاورهای زاویه‌ای خیلی بالا سازگار می‌سازند، چارچوبی را به وجود آورده است که در آن می‌توان جفت‌شدگی میان درجات آزادی ذره-منفرد و جمعی را در هسته مطالعه کرد. طی جند سال گذشته، متخصصان فیزیک ذرات نشان داده‌اند که نوکلئون‌ها ذرات مرکبی هستند که از کوارکها و گلوئون‌ها تشکیل شده‌اند و خواص آنها را می‌توان به خوبی توسط یک نظریه‌ی برهمکنش قوی موسوم به کرمودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف کرد. این روش توصیف موفق نوکلئون‌ها، منجر به حدس‌های نظری زیادی شده است که آیا برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی می‌تواند، برای لحظه‌ای کوتاه، به‌طور کیفی شکل جدیدی از ماده‌ی هسته‌ای به وجود آورد که در آن دما و چگالی به اندازه‌ی کافی بالا باشد که باعث تجزیه‌ی نوکلئون شود و پلاسمایی از کوارکها و گلوئون‌ها را در فضایی به حجم چند صد فرمی مکعب پدید آورد؟ در حال حاضر در آزمایشگاه ملی بروکهاون پروژه‌ای در دست اجراست تا با اتصال شتاب‌دهنده‌ی دو پشته‌ی واندوگراف به سینکروترون با شیب متغیر باریکه‌هایی با انرژی GeV15 بر نوکلئون، از یون‌های O16 و S32 تهیه کنند. انتظار می‌رود این باریکه‌ها تا اواخر سال 1986 آماده شوند؛ در این صورت، به همراه باریکه‌هایی با انرژی GeV200 بر نوکلئون از O16 که از پروژه‌ی مشابهی با استفاده از تسهیلات SPS سرن انتظار آن می‌رود، نخستین آزمون‌های ایده‌های فوق جامه‌ی عمل خواهند پوشید. به موازات این فعالیت‌ها، کارهای تجربی و نظری زیادی با استفاده از داده‌های حاصل از شتاب‌دهنده‌های آزمایشگاه لاورنس در برکلی برای تعیین پارامترهای مهم معادله‌ی حالت ماده‌ی هسته‌ای ادامه داشته است. از هنگام ابداع و تأیید به اصطلاح مدل استاندارد برای توصیف نیروهای الکتروضعیف و قوی هسته‌ای، فعالیت‌های فزاینده‌ای در هر دو حوزه‌ی فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای برای جستجوی تناقض‌هایی در پیش بینی‌های مدل استاندارد به عنوان راهی در جهت فهم بهتر نیروهای طبیعت در سطحی خیلی بنیادیتر وجود داشته است. در فیزیک هسته‌ای، بیشتر این فعالیت‌ها پیرامون اندازه‌گیری خواص نوترینو، از جمله پراکندگی نوترینو، اندازه‌گیری جرم نوترینوها و جستجوی نوسان‌های احتمالی آن متمرکز بوده است. یکی از پیشرفت‌های عمده در این زمینه عبارت بوده است از برپایی تسهیلات جدیدی برای پراکندگی نوترینو در تسهیلات فیزیک مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF)، و نخستین اندازه‌گیری پراکندگی نوترینوهای الکترونی از الکترون. داده‌های اولیه، وجود یکجمله‌یپیش‌بینی شده‌ی تداخلی را در پراکندگی اثبات کرده است، که این با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد سازگار بوده و در نتیجه موفقیت چشمگیر دیگری را برای این مدل به‌دست داده است. در زمینه‌ی مشترک دیگری، فیزیکدانهای هسته‌ای و اتمی در جستجوی منبع پوزیترون‌هایی بوده‌اند که از میدان‌های الکتریکی ابر بحرانی، قابل تولید در اتمی با عدد اتمی بزرگتر از 173، انتظار آنها می‌رفته است. این پوزیترون‌ها در برخوردهای میان باریکه‌ها و هدف‌های آکتینیدی، با استفاده از شتاب‌دهنده‌ی یون‌های سنگین در آزمایشگاه مرکز پژوهشی یون‌های سنگین (GSI) در آلمان غربی، شناسایی شده‌اند. در این آزمایش‌ها، خطوط کاملا واضح و غیر منتظره‌ی پوزیترون‌ها پیدا شده‌اند. حدسیات پیرامون سرمنشأ این خطوط، به تفاوت، از فرض وجود مولکول‌های هسته‌ای با طول عمر زیاد، تا یک ذره‌ی غیر منتظره، یا آثار ممکن جدیدی در الکترودینامیک کوانتومی، صحبت به میان می‌آورند. هیچ یک از این حدسیات بدون ناسازگاری نیست، اما وجود تجربی این خطوط مسلم به نظر می‌رسد. اینها فقط نمونه‌های معدودی از خط مقدم فعالیت های جاری در فیزیک هسته‌ای است. جزئیات بیشتر را می‌توان در گزارش‌های زیر ملاحظه کرد.
تابع پاسخ دینامیک هسته‌ای
حرکت و ساختار نوکلئونهای داخل هسته‌ها را می‌توان با استفاده از پراکندگی الکترون مطالعه کرد. سطح مقطع پراکندگی برای الکترون های انرژی-متوسط از چندین هسته‌ی سبک است. داده‌ها در آزمایشگاه MIT Bates با استفاده از یک الکترونی MeV730، ثبت شده‌اند. انتقال انرژی نوعی (تقریباً 100 تا MeV400) خیلی بیش از انرژی لازم برای بیرون انداختن نوکلئون هاست و در واقع برای برانگیزش نوکلئون به یک وضعیت تشدیدی موسوم به حالت ? کافی است. انتقال تکانه‌ی (اندازه حرکت) نوعی (تقریباً 500 MeV?c ) در مقایسه با تکانه‌ی متوسط نوکلئون در داخل هدف زیاد است. تحت این شرایط شدیداً ناکشسان، پیش‌بینی ما این است که تابع پاسخ هسته‌ای، تحت سلطه‌ی پراکندگی شبه آزاد از تک تک نوکلئون‌ها خواهد بود. این تصویر ساده از واکنش، با ظهور دو ساختار پهن در شکل1 که، به ترتیب، در حول و حوش اتلاف انرژی متناسب با پراکندگی کشسان الکترون-نوکلئون و برانگیزش در فضای آزاد است، تأیید می‌شود. جامعیت تابع پاسخ تأیید دیگری است برایده‌ی ساده‌ی فرایند مسلط ذره-منفرد. در نتیجه، اکنون ما می‌توانیم به تحلیل دقیقتری از شکل و بزرگی قله‌ها بپردازیم و مطالبی پیرامون توزیع تکانه‌ی هسته‌ای و تغییر ساختار هادرونی ناشی از برهم کنش با همسایگان، در محیط هسته‌ای، بیاموزیم. محل و پهنای قله‌ی شبه کشسان را می‌توان به خوبی بر حسب پتانسیل متوسط هسته ای توجیه کرد. اولاً، محل قله، در اتلاف انرژی تقریباً MeV20 بیش از آنچه که برای یک پروتون آزاد ساکن انتظار می‌رود، قدرت پتانسیل بستگی هسته‌ای را مشخص می‌کند. ثانیاً، پهنای قله‌ی شبه کشسان راه مستقیمی برای اندازه‌گیری تکانه‌ی فرمی هسته‌ای، تکانه‌ی نوکلئون‌ها در داخل هسته، به دست می‌دهد.
آن قسمت از پراکندگی که مربوط به پراکندگی الکترون از بار الکتریکی یک نوکلئون است را می‌توان جدا ساخت، و این به شگفتی عمده‌ای انجامیده است. فقط 3/2 از قدرت پراکندگی قابل انتظار به طور تجربی به دست می‌آید. این مخصوصاً از آن جهت شگفت‌انگیز است که قدرت کل برای پراکندگی بار، در صورتی که دینامیک داخلی نوکلئون تأثیری نداشته باشد، توسط سطح مقطع اندازه گرفته شده‌ی الکترون-پروتون (با تصحیحاتی اندک) و بار هسته‌ای کا داده می‌شود. امکان اینکه نتیجه چیزی جز این باشد شگفت‌انگیز است. می‌توان چنین نتیجه گرفت که برهم‌کنس میان درجات آزادی نوکلئون و هسته که توسط اثر EMC آشکار می‌شود ممکن است در پدیده‌های انرژی-پایین نقشی مهمتر از آنچه که تاکنون تصور می‌شده است داشته باشد. اثر EMC، که نخستین بار با استفاده از باریکه‌های میونی با انرژی‌های خیلی بالا در آزمایشگاه سرن در ژنو ملاحظه شد. مشاهده‌ی تجربی این موضوع است که توزیع‌های تکانه‌ی کوارک در هسته‌ها تغییر می‌کنند. مخصوصاً، این تغییر به گونه‌ای که به نظر می‌رسد در نواحی با چگالی هسته‌ای بالاتر، مقیاس محبوس سازی کوارکها بسیار بیشتر است. با مطالعه‌ی انرژی و توزیع زاویه‌ای نوکلئونهای گسیل شده به ازای انتقال تکانه و انرژی ثابت، اندازه‌گیری‌های جدید باید مشخص کنند که چه فرایندهایی عامل اصلی در این کاهش قدرت هستند. قله‌ی دوم مربوط به برانگیزش حالت‌های ? است. ملاحظه می‌کنیم که پاسخ هسته‌ای برای هسته‌های با عدد جرمی بزرگتر از 4 تقریباً یکسان است. ولی با پاسخ یک پروتون آزاد بسیار متفاوت است. قله، در اتلاف انرژیی کمتر از آنچه که برای یک پروتون آزاد به‌دست می‌آید رخ می‌دهد، که دلیلی است بر اینکه پتانسیلی که ? در معرض آن است ضعیفتر از پتانسیلی است که نوکلئون در آن قرار می‌گیرد. کانون کارهای جاری بر فهم چگونگی برهمکنش ? با سایر نوکلئون‌ها یا خوشه‌هایی از نوکلئون‌ها در هسته است. این گونه سؤال‌ها پیرامون برهمکنش میان درجات آزادی نوکلئون و هسته، برای توسعه بخشیدن به درک ما از نیروی هسته‌ای با برد متوسط و برد کوتاه، هم تحت شرایط عادی و هم در ماده‌ی چگال، اهمیت فراوان دارد.
معادله‌ی حالت هسته
برخوردهای بین یون‌های سنگین انرژی بالا، فرصت منحصر به فردی را برای کاوش خواص ماده‌ی هسته‌ای در چگالی‌ها و دماهای فوق‌العاده بالا، که ممکن است در آن اشکال جدید و غریبی از ماده‌ی هادرونی وجود داشته باشد، به دست می‌دهد. دانستن معادله‌ی حالت هسته، علاوه بر آنکه به خودی خود جالب است، در فهم اجزایی از جهان که از نظر زمانی و مکانی خیلی دور هستند، نظیر مهبانگ، انفجارهای ابر نواخترها، و داخل ستاره‌های نوترونی، اهمیت فراوان دارد. بررسی مستقیم معادله‌ی حالت هسته اخیراً با دستیابی به باریکه‌های هسته‌های سنگین با انرژی‌هایی تا GeV1 بر نوکلئون در بر کلی آغاز شده است. این هسته‌ها آنقدر سریع‌اند که نوکلئون‌هایی که در برخورد شرکت می‌کنند نمی‌توانند از حجم برهمکنش رهایی یابند-لذا این نوکلئون‌ها انباشته می‌شوند و محیط هسته‌ای شدیداً برانگیخته و متراکم می‌شود. فشار بالای تولید شده در یک رویداد برخورد، متعاقباً منجر به انبساط سریع ماده‌ی هسته‌ای می‌شود و تعداد زیادی پیون، نوکلئون، و هسته‌های سبک تولید می‌کند. با استفاده از توزیع این ذرات گسیل شده می‌توان ویژگی‌های ماده‌ی داغ و چگال اولیه را تشخیص داد. آثار مشاهده‌پذیر تراکم عبارت‌اند از شارش جمعی جانبی و بستگی تعداد پیون تولید شده به انرژی تراکم هسته‌ای که به‌طور نظری توسط دینامیک سیالات هسته‌ای پیش‌بینی می‌شود. این هر دو اثر نتیجه‌ی ایجاد فشار بالاست، که موجب انتقال تکانه‌ی عرضی بزرگ و تغییر در دمای دستگاه می‌شود. اخیراً هر دو اثر یاد شده به‌طور تجربی در قالب دو همکاری میان آزمایشگاه GSI در آلمان غربی و آزمایشگاه LBL در برکلی مشاهده شده‌اند. نخستین گروه، یک سیستم آشکار ساز الکترونیکی جدید برای ذرات مختلف به نام توپ پلاستیکی ابداع کرده است، که تعیین همزمان تعداد کل ذرات گسیل شده در یک رویداد برخورد خاص، و نیز انرژی هریک از آنها را ممکن می‌سازد؛ به این ترتیب بازسازی کامل رویدادها میسر می‌شود. کار مشترک GSI/LBL، تفاوت خیره کننده‌ای را میان برخوردهای تقریباً مرکزی (رویدادهای با تعداد زیاد ذرات تولید شده) و واکنش‌های با پارامترهای برخورد بزرگتر (تعداد کمتری ذرات بیرون رونده) نشان داده است. یک طیف واضح گسیل جانبی برای رویدادهای از نوع اول در سیستم Nb+Nb دیده شده است، و حال آنکه واکنش‌های کمتر مرکزی منجر به توزیع‌های زاویه‌ایی می‌شوند که دارای قله‌هایی در زوایای جلو هستند. نتایج کاملاً مشابهی در یک آزمایش با اتاقک شارشی برای واکنش +Pb(8/0GeV بر نوکلئون)Ar به دست آمده است. مطالعات جدیدتری نیز با استفاده از برخوردهای طلا با طلا صورت گرفته و معلوم شده است که در این سیستم، آثار شارش جمعی باز هم قویتر است. این آزمایش‌های پیشتاز، بر رفتار شاره گونه‌ی جمعی، که شازوکار کلیدی آفرینش و مطالعه‌ی ماده‌ی چگالی و داغ در برخوردهای هسته‌ای انرژی – بالاست، مهر تأیید می‌زنند. این داده‌ها، هر نظریه‌ی میکروسکوپیکی را به مبارزه می‌طلبند: روش آبشاری، پتانسیل دافعه‌ی تراکم را نادیده می‌گیرد و فرض می‌کند که برخوردهای هسته‌ای از طریق یک رشته برخوردهای مستقل نوکلئون-نوکلئون در فضای آزاد صورت می‌گیرند. حتی در برخوردهای مرکزی، این روش پیش‌بینی می‌کند توزیع زاویه‌ای باید دارای قله‌هایی در زوایای جلو باشد، که داده‌ها خلاف آن را نشان می‌دهند. اخیراً یک نظریه‌ی میکروسکوپیکی درباره‌ی واکنش‌های یون‌های سنگین ابداع شده است که یک معادله‌ی حالت سخت ( معادله‌ای با یک ثابت تراکم بالا) را به کار می‌گیرد و این امر زوایای شارش جانبی بزرگ را که در آزمایش مشاهده شده‌اند توجیه می‌کند. شاهد دیگری بر معادله‌ی حالت سخت از یک تحلیل تکانه‌ای بدیع که برای سیستم Ar+KCI در انرژی GeV8/1 بر نوکلئون صورت گرفته است، سرچشمه می‌گیرد. تأیید بیشتر برای یک معادله‌ی حالت سخت، از تعداد پیون‌های تولید شده که رویداد-به-رویداد در اتاقک شارشی برای برخوردهای تقریباً مرکزی KCI(8/1تا4/0GeV نوکلئون)Ar بر اندازه گرفته شده اند، نشأت می‌گیرد. تعداد پیون تولیدی محاسبه شده از مدل آبشاری (که پتانسیل تراکم را نادیده می‌گیرد) خیلی بیش از داده‌های تجربی است. حدس زده می‌شود که تفاوت میان تعداد پیون تولیدی اندازه گرفته شده و مقادیر محاسبه شده از مدل آبشاری، ناشی از نادیده گرفتن ناگزیر انرژی تراکم در روش آبشاری است، و لذا ممکن است بتوان با استفاده از این اختلاف، معادله‌ی حالت هسته را در چگالی‌های بالا به دست آورد. در واقع، معادله‌ی حالت هسته که از این اختلاف به‌دست می‌آید در محدوده‌ی چگالی‌های دسترس‌پذیر در آزمایش، سریعاً افزایش می‌یابد. باردیگر، مقایسه‌ی با نظریه‌ی میکروسکوپیک، نیاز به معادله‌ی حالت سخت را اثبات می‌کند. پیشرفت‌های زیادی در هر دو زمینه‌ی تجربی و نظری پیرامون روش‌های مطالعه‌ی برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی به عمل آمده است. با نخستین نگاه اجمالی به معادله‌ی حالت هسته، به نظر می‌رسد که تراکم ناپذیری‌های بزرگ خیره کننده‌ای در چگالی‌های تقریباً 204 برابر چگالی حالت پایه وجود داشته باشد. در دهه‌ی آینده، هنگامی که با استفاده از شتاب‌دهنده‌های سرن و بروکهاون به انرژی‌های فرانسبیتی دست پیدا کنیم، با مشکلات بزرگتر از اینها هم روبه‌رو خواهیم شد.
پراکندگی نوترینو- الکترون
نظریه‌های جاری و پرطرفدار درباره‌ی نیروهای بنیادی، نظریه‌های پیمانه‌ای‌اند. در این نظریه‌ها، نیروهای گرانشی، الکترومغناطیسی، و همچنین نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای که بین فرمیونها عمل می‌کنند، توسط تبادل بوزون‌ها انتقال می‌یابند همین شباهت اساسی در ساختار این نظریه‌هاست که به طور وسوسه انگیزی پیشنهاد یک توصیف تنها و وحدت یافته را برای این چهار نیرو به پیش می‌کشد. پیشرفت عمده‌ای در وحدت نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف حاصل گشته است. این نظریه‌ی پیمانه‌ای الکترو ضعیف منتسب به واینبرگ، سلام و گلاشو (WGS) با تبادل چهار بوزون برداری-فوتون، ذرات باردارW (W^-,W^+) ، و Z خنثی مشخص می‌شود. تاکنون برهم کنش‌های ضعیف در واکنش‌هایی که شامل تبادل بوزون‌های Z وW هستند، و نیز توسط تداخل میان Z و فوتون‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اکنون، در آزمایشی که در تسهیلات فیزیک مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF) جریاندارد، شواهد مبنی بر تداخل Z-W+در شرف آشکار شدن‌اند. آزمون مهم دیگر پیرامون نظریه‌ی WGS، با پراکندگی کشسان نوترینوهای الکترونی توسط الکترون‌ها، v_e e-e، صورت می‌گیرد. پراکندگی vee از طریق جریان‌های ضعیف باردار و خنثی-تبادل بوزون‌های W+وZ0هر دو-رخ می‌دهد، و لذا نسبت به تداخل آنها حساس است؛ نظریه‌ی WGS، تقریباً یک کاهش 40 درصدی را در سطح مقطع کشسان کل پیش‌بینی می‌کند. با استفاده از یک باریکه‌ی شدید v_e (با انرژی‌های تا MeV53) از متوقف کننده‌ی باریکه‌ی پروتونی LAMPE، دانشگاه کالیفرنیا در ایروین، آزمایشگاه لوس آلاموس، و دانشگاه مریلند با همکاری یکدیگر نخستین مشاهده‌ی تجربی پراکندگی v_e انجام داده‌اند.
رویدادهای پراکندگی نوترینو-الکترون به صورت مسیرهای منفرد پس‌زنش الکترون در یک آشکارساز15 تنی که در نزدیکی متوقف کننده‌ی باریکه قرار گرفته است، ظاهر می‌شوند. انتظار می‌رود که این رویدادها در یک مخروط 16 درجه‌ای در حول امتداد نوترینو‌ی فرودی متمرکز باشند، و در واقع نیز توزیع زاویه‌ای مشاهده شده، یک قله‌ی بارز را در زوایای جلو نشان می‌دهد. آهنگ اندازه گرفته شده، حتی با شتاب‌دهنده‌ی LAMPFکه باریکه‌ای از پروتون تا mA1 را تولید می‌کند، فقط تقریباً هر 2 روز یک رویداد است. پس از 6 ماه مطالعه، آزمایشکاران 15+51 رویداد را برای پراکندگی v_e e گزارش کرده‌اند. این نتیجه با پیش‌بینی 8+53 رویداد توسط نظریه‌ی WGSسازگار است. آزمایش یاد شده، با قصد افزایش قابل توجه تعداد رویدادهای v_e e، در نتیجه بیان قاطعی پیرامون تداخل Z-W+ادامه دارد.
قله‌های بی‌هنجار پوزیترون در سیستم‌های برخورد کننده‌یسنگین
در موارد بسیار در گذشته، توانایی ما در ایجاد شرایط خاصی در آزمایشگاه منتهی به اطلاعات منحصر به فردی پیرامون ساختار ماده شده است. با برخورد پرتابه‌های سنگینی نظیر Thو U با اتم‌های Th ، Uو Cm در انرژی‌هایی که بتواند این ذرات را به تماس با یکدیگر در آورد، چنین موقعیت‌هایی بالقوه ایجاد می‌شود. در مدت زمان کوتاهی که دو هسته نزدیک یکدیگرند. کل بارهای هسته‌ای ممکن است مغزی مرکزی شبه اتمی را به وجود آورند که محیط اتمی قابل انتظار در یک اتم ابر سنگین با عدد اتمی تا 188 را ایجاد کند. علت توجه خاص به این گونه سیستم‌ها، وجود میدان‌های الکتریکی با شدت‌های فوق‌العاده زیاد است که داخلترین الکترون‌ها لایه‌ی K در شبه اتم یاد شده را با انرژی بیش از دو برابر انرژی سکون الکترون (mc22) به قید می‌کشد و به این ترتیب، آزمودن این عقیده‌ی بنیادی در نظریه‌ی کوانتومی میدان‌ها که پوزیترون می‌تواند در میدان‌های ایستای قوی خارجی خود به خود از خلأ زاده شود را ممکن می‌سازد.
به بیان روشنتر، سرچشمه‌ی ناپایداری در خلأ الکترون پوزیترون را می‌توان به صورت تغییری در سرشت حالت مقید الکترون، هنگامی که انرژی بستگی آستانه‌ی 2mc2 فراتر می‌رود، در نظرگرفت. هنگام عبور از این مرز، حالت مقید تبدیل به یک تشدید می‌شود و حالت واپاشنده‌ای را به وجود می‌آورد که سرآغاز ناپایداری است. از ملاحظات انرژی می‌توان نشان داد که اگر حالت‌های لایه‌ی K اشعال نشده باشند، خلأ آنها را با ایجاد زوج پر می‌کند و به این ترتیب خود به خود پوزیترون مربوط به زوج را گسیل می‌دارد. بنابراین، در الکترودینامیک کوانتومی (QED) پیش‌بینی می‌شود که خلأ خنثی (بار لخت هسته‌ای به صورت یک ناظر در نظر گرفته می‌شود) در میدان‌های الکتریکی ابر بحرانی جرقه بزند و پوزیترون‌های حاصل، انرژی جنبشیی مساوی با مازاد انرژی بستگی لایه‌ی K از 2mc2را حمل کنند. خلأ باردار حاصل، حالت پایه‌ی جدید QED در میدان‌های ابر بحرانی است. امکان آنکه این فرایند واقعاً مشاهده شده باشد، اخیراًبا کشف مهم قله‌های پوزیترون باریک گسیل شده در سیستم‌های برخورد کننده‌ی ابر بحرانی در انرژی‌های بمباران نزدیک به سد کولنی، افزایش یافته است. باید تأکید کرد که با مشاهده‌ی این قله‌ها، علاوه بر امکان ارتباط آنها با گسیل خود به خودی پوزیترون، به دلایلی کلی توجه بسیار زیادی را برانگیخته است زیرا صرف پیدا شدن چنین ساختارهای باریک و انرژی-پایین پوزیترون، به سهم خود بی هنجار است و به توضیح نامتداولی احتیاج دارد که احتمالاً در بردارنده‌ی چشمه‌ای است که قبلاً آشکار نشده است. اگر این قله‌های باریک در واقع مشخصاً در ارتباط با گسیل خود به خودی پوزیترون باشند، در این صورت این موضوع جالب پیش می‌آید که نوعی سیستم با طول عمر زیاد تشکیل می‌شود و این سیستم سرمنشأ میدان ابر بحرانی است.
در این ارتباط، گراینر و همکارانش نشان داده‌اند که ظهور قله‌ی پوزیترون در سیستم برخورد کننده‌ی U+Cm، انرژی و شدت آن، همه، را می توان با پیشنهاد تشکیل یک سیستم خیلی بزرگ دو هسته‌ای فراپایدار (با عمر تقریبی ?10?^(-19) s) با بارکل z_u=188 در کسر کوچکی (1/0%) از برخوردهای نزدیک، توجیه کرد. سازوکار توصیف این پیکربندی شبه مولکولی هسته ای به این صورت است که اجزای برخورد کننده در حفره‌ای که در پتانسیل کولنی توسط نیروهای هسته ای تشکیل می‌شود به دام می‌افتند. بنابراین، طیف های خطی پوزیترون ممکن است به منبع اطلاعاتی منحصر به فردی درباره‌ی گونه‌های غریب هسته‌ای با جرم‌هایی خیلی بیش از جرم هر هسته‌ی مرکبی که تا به امروز تشکیل شده است، تبدیل شوند.
با این همه، وقتی مقایسه‌ی با آزمایش را به سایر سیستم‌های برخورد کننده تعمیم می‌دهیم، این پیشنهاد مواجه با اشکالاتی می‌شود. یک ویژگی مخصوصاً متمایز این مدل، مقیاس بندی قابل توجه ?z_u?^20 برای انرژی‌های قله در مورد سیستم‌هایی با توزیع‌های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی مشابه است. این پیش‌بینی برای بارهای ابر بحرانی در گستره‌ی 180 تا188 آزموده شده است. بر خلاف یک ضریب 3 که از مقیاس بندی ?z_u?^20 (z به توان 20) انتظار می‌رود، در انرژی قله‌ها یک تساوی تقریبی دیده شده است. این نتایج را فقط در تصویر گسیل خود به خود پوزیترون در وضعیت بعیدی که در آن پیکر بندی های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی کاملاً متفاوتی ا به سیستم‌های مرکب نسبت می‌دهند (با z_u های اتفاقی به گونه‌ای که یک انرژی بستگی ثابت لایه‌ی K را حفظ کنند) می‌توان توجیه کرد. اکنون این سؤال پیش می‌آید که آیا این قله‌هادر سیستم‌هایی که در آنها انتظار بستگی ابر بحرانی نمی‌رود نیز رخ می‌دهند یا خیر. با دنبال کردن این سؤال در سیستم Th+Ta با z_u=163، که کاملاً زیر آستانه‌ی گسیل خود به خودی پوزیترون، z_u=173، برای چگالی متعارف هسته‌ای است، یک گروه (آزمایشکار)، قله‌ای را تقریباً با همان مشخصاتی که در سیستم‌های ابر بحرانی یافت می‌شود، مشاهده کرده است. تحلیل‌های اخیر ظاهراً حکایت از این می‌کند که بخش اعظم شدت قله نمی‌تواند مربوط به یک گذار هسته‌ای باشد. اگر پس از بررسی‌های دقیقتر باز هم این نتیجه گیری درست باشد، تولید خودبهخودی پوزیترون به عنوان یک منشأ احتمالی برای تمام قله‌ها بشدت رد می‌شود. در توجیه ویژگی برجسته‌ی یک انرژی قله‌ی مشترک، این پیش‌بینی مطرح شده است که قله‌ها ممکن است از واپاشی دو-جسمی ذره‌ی خنثایی که در برخوردها تولید شده ولی قبلاً آشکارسازی نشده است منشأ بگیرند. یک سیگنال واضح برای وجود چنین ذره‌ی خنثایی می‌تواند توسط یک الکترون تک انرژی حاصل از واپاشی ذره به e^++e^- و نیز یک انرژی کل آزمایشگاهی خیلی مشخص برای زوج فراهم شود. آفرینش زوج‌های ذرات باردار نیز امکان دیگری است که باید آن را در نظر گرفت. آزمایشی که هر دوی این پیش بینی‌ها را بررسی می‌کند اکنون در GSI، دارمشتارت، آلمان غربی، در حال انجام است.
بعضی رفتارهای جدید در اسپین‌های بالا
در یکی دو سال گذشته نظرهای جدیدی در فیزیک هسته‌ای اسپین‌های بالا اظهار شده است. علت این امر پیدا شدن یک روش نظری که خوشبختانه تا حدودی دارای قدرت واقعی پیش‌بینی است، و نیز برخی پیشرفت‌های تجربی بوده است. این روش، نیروهای کوریولی و گریز از مرکز را با دوران (چرخاندن) یک پتانسیل مدل لایه‌ای در حول یکی از محورهایش، وارد سیستم هسته‌ای می‌کند. تغییر بسامد چرخش، گستره‌ای از حالت‌های با گشتاورهای زاویه‌ای متفاوت (اسپین) را تولید می‌کند، درست همان گونه که تغییر دادن تراز فرمی در پتانسیل، گستره‌ای از هسته‌های با تعداد مختلف نوکلئون را تولید می‌نماید. از نظر تجربی، فیزیک اسپین‌های بالا مبتنی بر طیف نگاری پرتوهای گاما است و در حال حاضر آرایه‌های بزرگی از آشکار سازهای ژرمانیوم( که اثر کامپتون در آنها مهار شده است) با قدرت تفکیک بالا در دست ساختمان است. این آشکار سازها را در اطراف توپهایی بنا می‌کنند با قدرت تفکیک پایین که کاملاً تنگاتنگ هم قرار گرفته‌اند و اصولاً تک تک 20-30 پرتوی گامای گسیل شده در واانگیزش یک حالت اسپین – بالا را آشکار می‌کنند. این پیشرفت تجربی در آزمایشگاه دارزبری در انگلستان به وقوع پیوسته است، و مطالعات در اسپین‌های حدود 40 در هسته‌های خاک‌های نادر را، که در آنها دگرگونی‌های رفتاری جالبی رخ می‌دهد، امکان‌پذیر می‌سازد. در اینجا سه ایده‌ی جدید را که از این مطالعات نشأت می‌گیرد توصیف می‌کنیم. یکی از چندین تغییر مهمی که بر اثر لفزایش اسپین در هسته‌ها رخ می‌دهد، با تزویج در ارتباط است. زوج‌های نوکلئونهای مشابه سعی می‌کنند که در مدارهای زمان- معکوس با یکدیگر جفت شوند و اسپین کل صفر را بدهند. گاهی اوقات تعدادی از این زوج‌های با اسپین صفر به گونه‌ی همدوسی موسوم به همبستگی‌های تزویجی خیلی شبیه به ابر رسانا‌ها و ابر شاره‌ها، از یک مدار به مدار دیگر پراکنده می‌شوند. ابر شارگی هسته‌ای نه تنها با دما ( شبیه مانسته‌های ماکروسکوپیک آن) بلکه با گشتاور زاویه‌ای، که مستلزم باز جفتیدگی زوج‌ها به اسپینی بزرگتر از صفر است، فرو نشانده می‌شود. تزویج هسته‌ای شکننده است – مبتنی بر فقط 6 یا 8 نوکلئون از هر نوع – و نمی‌تواند در تکانه‌های زاویه‌ای بالا دوام آورد. در ناحیه‌ی چرخشی هسته‌های خاک‌های نادر، انتظار می‌رود که همبستگی‌های تزویجی نوترون وقتی اسپین به 40 می‌رسد از میان برود، و تجربه نیز نشان می‌دهد که بخش اعظم این همبستگی از میان می‌رود. با این همه، باز هم مشاهده می‌شود که تعداد حالت‌هایی که در آنها جفت شدگی بعضی از زوج‌های نوترون با اشپین صفر است، بیش از تعداد حالت‌های با سایر جفت شدگی‌ها برای این نوترون‌هاست. این نشانه‌ی آن است که بعضی از آثار تزویج هنوز باقی است و اکنون پیشنهاد شده است که همبستگی‌های تزویجی (که مربوط به چرخش‌هادر فضای پیمانه‌ای‌اند) پایان نمی‌یابند بلکه در عوض تبدیل به افت و خیزهای تزویجی (ارتعاش‌هایی در فضای پیمانه‌ای) می‌شوند. این افت و خیزها نیز باید با افزایش گشتاور زاویه‌ای از میان بروند, ولی آهسته‌تر, تا با تجربه سازگارتر باشند. یک سؤال اساسی این است که نوکلئون‌ها برای تولید یک اسپین بالا چگونه با هم جفت می‌شوند؟ دومین پیشرفت جدید پاسخ به این سؤال را در مورد تعدادی نوکلئون واقع در خارج یک لایه‌ی بسته, (نوکلئونهای ظرفیت) تا حدودی روشن می‌سازد. محاسبه و تجربه در این امر توافق دارند که تعدادی کافی از نوکلئونهای ظرفیت از هر نوع ( هم ÷روتون‌ها و هم نوترون‌ها) ترجیحاً یک هسته‌ی کشیده‌ی با چرخش جمعی را به وجود می‌آورند, و حال آنکه اگر این مقدار کافی نباشد, نتیجه‌ی امر هسته‌ای است به شکل پخت (یا, اگر اسپین پایین باشد, کروی) و یک رفتار غیر جمعی که در آن گشتاورهای زاویه‌ای ذرات جدای از هم جهت می‌گیرند. وضعیت جالبی در مرز میان این دو ناحیه رخ می‌دهد, جایی که در آن نوارهای پایانه‌دار می‌توانند وجود داشته باشند, که در آنها اسپین‌های پایینتر به صورت جمعی می‌چرخند, اما به‌تدریج فشار برای حصول گشتاور زاویه‌ای بیشتر نوکلئونهای ظرفیت را به حد غیر جمعی پخت می‌راند و نوار پایانمی‌یابد. این گونه نوارها در هسته‌های سبک دیده شده‌اند؛ مثال کلاسیک در این زمینه Ne است, که در آن نوار در اسپین 8 پایان می‌یابد. محاسبات اخیر ابتدا حاکی از آن بود که رفتار مشابهی ممکن است در هسته‌های خیلی سنگینتر نیز قابل مشاهده باشد. نخستین مثال تجربی نسبتا روشن Er است, که اخیراً معلوم شده است تا اسپین 30, کشیده و جمعی است, و پس از آن دنباله‌ای نامنظم, اما ظاهراً تا حدودی جمعی, از ترازها تا یک حالت غیر جمعی در اسپین 42 ادامه می‌یابد, و به احتمال قوی پایانه‌ی نوار پیش‌بینی شده‌ای دارد که در آن تمامی 10 نوکلئون ظرفیت کاملاً هم جهت‌اند. در هسته‌ی مجاور Er,، دنباله‌ی مشابهی دیده می‌شود که در اسپین 46 پایان می‌یابد (تمامی 12 نوکلئون ظرفیت آن، هم جهت‌اند). اینکه تا چه حد تصویر نوار پایانه‌دار می‌تواند این دنباله‌ها را توصیف کند در آینده معلوم خواهد شد، اما به نظر می‌رسد که لااقل حالت‌های پایانه‌دار با جهتگیری کامل تا حدود زیادی مطابق با محاسبات رخ می‌دهند. ایده‌ی سوم, تازه دارد فرمولبندی می‌شود اما دارای پیامدهای مهیجی است. اغلب کارهای انجالم شده در زمینه‌ی اسپین‌های بالا تاکنون، شامل تفکیک تک تک پرتوهای گاما، ساختن طرح وارهای تراز از آنها، و تفسیر این طرح وارها بوده است. این روش برای اسپین‌های تا 30 یا 40 کارساز است، جایی که بیشتر جمعیت حاصل از یک واکنش هسته‌ای، به پایین‌ترین حالت‌های (سرد) معدود هر اسپین چگالیده می‌شود. با این همه، در اسپین‌های بالاتر، تقریباً تمامی جمعیت از تعداد زیادی حالت‌های شدیداً برانگیخته (داغ) می گذرند که در آنها چگالی تراز کلی بالاست. تک تک پرتوهای گامای حاصل از این ناحیه را نمی‌توان تفکیک کرد، اما ویپگی‌های کلی آنها را می‌توان مطالعه کرد، مثلاً این نکته معلوم شده است که این پرتوها اکثراض از گذارهای نوع چرخشی‌اند. بنابراین اخیراً توجه به فهم این مطلب معطوف شده است که بر اثر بر هم نهش یک نوار چرخشی با چگالی بالایی از ترازهای دیگر، که تک تک اعضای نوار باید با آنها مخلوط شوند، چه رخ می‌دهد. نتیجه‌ای که اخیراً به آن پی برده‌اند این است که همبستگی‌های معمولاً قوی میان انرپی‌های پرتو گاما در یک دنباله‌ی چرخشی، باید ضعیفتر باشند، و این چیزی است که با برخی از مشاهدات تجربی اخیر در توافق عالی است. برای پی بردن به اینکه در این آبشار های با اسپین خیلی بالا چه می‌گذرد، هنوز کارهای زیادی باید انجام داد، اما اینکه آمیزش ترازها (میرایی) دارای نقشی باشد، اکنون محتمل به نظر می‌رسد. اینکه شاید ما بتوانیم از مطالعات مربوط به اسپین‌های بالا چیزی راجع به میرایی بیاموزیم، تا حدود یک سال قبل کاملاً بعید به نظر می‌رسید.
حرکت و ساختار نوکلئونهای داخل هسته‌ها را می‌توان با استفاده از پراکندگی الکترون مطالعه کرد. سطح مقطع پراکندگی برای الکترون های انرژی-متوسط از چندین هسته‌ی سبک است. داده‌ها در آزمایشگاه MIT Bates با استفاده از یک الکترونی MeV730، ثبت شده‌اند. انتقال انرژی نوعی (تقریباً 100 تا MeV400) خیلی بیش از انرژی لازم برای بیرون انداختن نوکلئون هاست و در واقع برای برانگیزش نوکلئون به یک وضعیت تشدیدی موسوم به حالت ? کافی است. انتقال تکانه‌ی (اندازه حرکت) نوعی (تقریباً 500 MeV?c ) در مقایسه با تکانه‌ی متوسط نوکلئون در داخل هدف زیاد است. تحت این شرایط شدیداً ناکشسان، پیش‌بینی ما این است که تابع پاسخ هسته‌ای، تحت سلطه‌ی پراکندگی شبه آزاد از تک تک نوکلئون‌ها خواهد بود. این تصویر ساده از واکنش، با ظهور دو ساختار پهن در شکل1 که، به ترتیب، در حول و حوش اتلاف انرژی متناسب با پراکندگی کشسان الکترون-نوکلئون و برانگیزش در فضای آزاد است، تأیید می‌شود. جامعیت تابع پاسخ تأیید دیگری است برایده‌ی ساده‌ی فرایند مسلط ذره-منفرد. در نتیجه، اکنون ما می‌توانیم به تحلیل دقیقتری از شکل و بزرگی قله‌ها بپردازیم و مطالبی پیرامون توزیع تکانه‌ی هسته‌ای و تغییر ساختار هادرونی ناشی از برهم کنش با همسایگان، در محیط هسته‌ای، بیاموزیم. محل و پهنای قله‌ی شبه کشسان را می‌توان به خوبی بر حسب پتانسیل متوسط هسته ای توجیه کرد. اولاً، محل قله، در اتلاف انرژی تقریباً MeV20 بیش از آنچه که برای یک پروتون آزاد ساکن انتظار می‌رود، قدرت پتانسیل بستگی هسته‌ای را مشخص می‌کند. ثانیاً، پهنای قله‌ی شبه کشسان راه مستقیمی برای اندازه‌گیری تکانه‌ی فرمی هسته‌ای، تکانه‌ی نوکلئون‌ها در داخل هسته، به دست می‌دهد.
آن قسمت از پراکندگی که مربوط به پراکندگی الکترون از بار الکتریکی یک نوکلئون است را می‌توان جدا ساخت، و این به شگفتی عمده‌ای انجامیده است. فقط 3/2 از قدرت پراکندگی قابل انتظار به طور تجربی به دست می‌آید. این مخصوصاً از آن جهت شگفت‌انگیز است که قدرت کل برای پراکندگی بار، در صورتی که دینامیک داخلی نوکلئون تأثیری نداشته باشد، توسط سطح مقطع اندازه گرفته شده‌ی الکترون-پروتون (با تصحیحاتی اندک) و بار هسته‌ای کا داده می‌شود. امکان اینکه نتیجه چیزی جز این باشد شگفت‌انگیز است. می‌توان چنین نتیجه گرفت که برهم‌کنس میان درجات آزادی نوکلئون و هسته که توسط اثر EMC آشکار می‌شود ممکن است در پدیده‌های انرژی-پایین نقشی مهمتر از آنچه که تاکنون تصور می‌شده است داشته باشد. اثر EMC، که نخستین بار با استفاده از باریکه‌های میونی با انرژی‌های خیلی بالا در آزمایشگاه سرن در ژنو ملاحظه شد. مشاهده‌ی تجربی این موضوع است که توزیع‌های تکانه‌ی کوارک در هسته‌ها تغییر می‌کنند. مخصوصاً، این تغییر به گونه‌ای که به نظر می‌رسد در نواحی با چگالی هسته‌ای بالاتر، مقیاس محبوس سازی کوارکها بسیار بیشتر است. با مطالعه‌ی انرژی و توزیع زاویه‌ای نوکلئونهای گسیل شده به ازای انتقال تکانه و انرژی ثابت، اندازه‌گیری‌های جدید باید مشخص کنند که چه فرایندهایی عامل اصلی در این کاهش قدرت هستند. قله‌ی دوم مربوط به برانگیزش حالت‌های ? است. ملاحظه می‌کنیم که پاسخ هسته‌ای برای هسته‌های با عدد جرمی بزرگتر از 4 تقریباً یکسان است. ولی با پاسخ یک پروتون آزاد بسیار متفاوت است. قله، در اتلاف انرژیی کمتر از آنچه که برای یک پروتون آزاد به‌دست می‌آید رخ می‌دهد، که دلیلی است بر اینکه پتانسیلی که ? در معرض آن است ضعیفتر از پتانسیلی است که نوکلئون در آن قرار می‌گیرد. کانون کارهای جاری بر فهم چگونگی برهمکنش ? با سایر نوکلئون‌ها یا خوشه‌هایی از نوکلئون‌ها در هسته است. این گونه سؤال‌ها پیرامون برهمکنش میان درجات آزادی نوکلئون و هسته، برای توسعه بخشیدن به درک ما از نیروی هسته‌ای با برد متوسط و برد کوتاه، هم تحت شرایط عادی و هم در ماده‌ی چگال، اهمیت فراوان دارد.
معادله‌ی حالت هسته
برخوردهای بین یون‌های سنگین انرژی بالا، فرصت منحصر به فردی را برای کاوش خواص ماده‌ی هسته‌ای در چگالی‌ها و دماهای فوق‌العاده بالا، که ممکن است در آن اشکال جدید و غریبی از ماده‌ی هادرونی وجود داشته باشد، به دست می‌دهد. دانستن معادله‌ی حالت هسته، علاوه بر آنکه به خودی خود جالب است، در فهم اجزایی از جهان که از نظر زمانی و مکانی خیلی دور هستند، نظیر مهبانگ، انفجارهای ابر نواخترها، و داخل ستاره‌های نوترونی، اهمیت فراوان دارد. بررسی مستقیم معادله‌ی حالت هسته اخیراً با دستیابی به باریکه‌های هسته‌های سنگین با انرژی‌هایی تا GeV1 بر نوکلئون در بر کلی آغاز شده است. این هسته‌ها آنقدر سریع‌اند که نوکلئون‌هایی که در برخورد شرکت می‌کنند نمی‌توانند از حجم برهمکنش رهایی یابند-لذا این نوکلئون‌ها انباشته می‌شوند و محیط هسته‌ای شدیداً برانگیخته و متراکم می‌شود. فشار بالای تولید شده در یک رویداد برخورد، متعاقباً منجر به انبساط سریع ماده‌ی هسته‌ای می‌شود و تعداد زیادی پیون، نوکلئون، و هسته‌های سبک تولید می‌کند. با استفاده از توزیع این ذرات گسیل شده می‌توان ویژگی‌های ماده‌ی داغ و چگال اولیه را تشخیص داد. آثار مشاهده‌پذیر تراکم عبارت‌اند از شارش جمعی جانبی و بستگی تعداد پیون تولید شده به انرژی تراکم هسته‌ای که به‌طور نظری توسط دینامیک سیالات هسته‌ای پیش‌بینی می‌شود. این هر دو اثر نتیجه‌ی ایجاد فشار بالاست، که موجب انتقال تکانه‌ی عرضی بزرگ و تغییر در دمای دستگاه می‌شود. اخیراً هر دو اثر یاد شده به‌طور تجربی در قالب دو همکاری میان آزمایشگاه GSI در آلمان غربی و آزمایشگاه LBL در برکلی مشاهده شده‌اند. نخستین گروه، یک سیستم آشکار ساز الکترونیکی جدید برای ذرات مختلف به نام توپ پلاستیکی ابداع کرده است، که تعیین همزمان تعداد کل ذرات گسیل شده در یک رویداد برخورد خاص، و نیز انرژی هریک از آنها را ممکن می‌سازد؛ به این ترتیب بازسازی کامل رویدادها میسر می‌شود. کار مشترک GSI/LBL، تفاوت خیره کننده‌ای را میان برخوردهای تقریباً مرکزی (رویدادهای با تعداد زیاد ذرات تولید شده) و واکنش‌های با پارامترهای برخورد بزرگتر (تعداد کمتری ذرات بیرون رونده) نشان داده است. یک طیف واضح گسیل جانبی برای رویدادهای از نوع اول در سیستم Nb+Nb دیده شده است، و حال آنکه واکنش‌های کمتر مرکزی منجر به توزیع‌های زاویه‌ایی می‌شوند که دارای قله‌هایی در زوایای جلو هستند. نتایج کاملاً مشابهی در یک آزمایش با اتاقک شارشی برای واکنش +Pb(8/0GeV بر نوکلئون)Ar به دست آمده است. مطالعات جدیدتری نیز با استفاده از برخوردهای طلا با طلا صورت گرفته و معلوم شده است که در این سیستم، آثار شارش جمعی باز هم قویتر است. این آزمایش‌های پیشتاز، بر رفتار شاره گونه‌ی جمعی، که شازوکار کلیدی آفرینش و مطالعه‌ی ماده‌ی چگالی و داغ در برخوردهای هسته‌ای انرژی – بالاست، مهر تأیید می‌زنند. این داده‌ها، هر نظریه‌ی میکروسکوپیکی را به مبارزه می‌طلبند: روش آبشاری، پتانسیل دافعه‌ی تراکم را نادیده می‌گیرد و فرض می‌کند که برخوردهای هسته‌ای از طریق یک رشته برخوردهای مستقل نوکلئون-نوکلئون در فضای آزاد صورت می‌گیرند. حتی در برخوردهای مرکزی، این روش پیش‌بینی می‌کند توزیع زاویه‌ای باید دارای قله‌هایی در زوایای جلو باشد، که داده‌ها خلاف آن را نشان می‌دهند. اخیراً یک نظریه‌ی میکروسکوپیکی درباره‌ی واکنش‌های یون‌های سنگین ابداع شده است که یک معادله‌ی حالت سخت ( معادله‌ای با یک ثابت تراکم بالا) را به کار می‌گیرد و این امر زوایای شارش جانبی بزرگ را که در آزمایش مشاهده شده‌اند توجیه می‌کند. شاهد دیگری بر معادله‌ی حالت سخت از یک تحلیل تکانه‌ای بدیع که برای سیستم Ar+KCI در انرژی GeV8/1 بر نوکلئون صورت گرفته است، سرچشمه می‌گیرد. تأیید بیشتر برای یک معادله‌ی حالت سخت، از تعداد پیون‌های تولید شده که رویداد-به-رویداد در اتاقک شارشی برای برخوردهای تقریباً مرکزی KCI(8/1تا4/0GeV نوکلئون)Ar بر اندازه گرفته شده اند، نشأت می‌گیرد. تعداد پیون تولیدی محاسبه شده از مدل آبشاری (که پتانسیل تراکم را نادیده می‌گیرد) خیلی بیش از داده‌های تجربی است. حدس زده می‌شود که تفاوت میان تعداد پیون تولیدی اندازه گرفته شده و مقادیر محاسبه شده از مدل آبشاری، ناشی از نادیده گرفتن ناگزیر انرژی تراکم در روش آبشاری است، و لذا ممکن است بتوان با استفاده از این اختلاف، معادله‌ی حالت هسته را در چگالی‌های بالا به دست آورد. در واقع، معادله‌ی حالت هسته که از این اختلاف به‌دست می‌آید در محدوده‌ی چگالی‌های دسترس‌پذیر در آزمایش، سریعاً افزایش می‌یابد. باردیگر، مقایسه‌ی با نظریه‌ی میکروسکوپیک، نیاز به معادله‌ی حالت سخت را اثبات می‌کند. پیشرفت‌های زیادی در هر دو زمینه‌ی تجربی و نظری پیرامون روش‌های مطالعه‌ی برخوردهای یون‌های سنگین نسبیتی به عمل آمده است. با نخستین نگاه اجمالی به معادله‌ی حالت هسته، به نظر می‌رسد که تراکم ناپذیری‌های بزرگ خیره کننده‌ای در چگالی‌های تقریباً 204 برابر چگالی حالت پایه وجود داشته باشد. در دهه‌ی آینده، هنگامی که با استفاده از شتاب‌دهنده‌های سرن و بروکهاون به انرژی‌های فرانسبیتی دست پیدا کنیم، با مشکلات بزرگتر از اینها هم روبه‌رو خواهیم شد.
پراکندگی نوترینو- الکترون
نظریه‌های جاری و پرطرفدار درباره‌ی نیروهای بنیادی، نظریه‌های پیمانه‌ای‌اند. در این نظریه‌ها، نیروهای گرانشی، الکترومغناطیسی، و همچنین نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای که بین فرمیونها عمل می‌کنند، توسط تبادل بوزون‌ها انتقال می‌یابند همین شباهت اساسی در ساختار این نظریه‌هاست که به طور وسوسه انگیزی پیشنهاد یک توصیف تنها و وحدت یافته را برای این چهار نیرو به پیش می‌کشد. پیشرفت عمده‌ای در وحدت نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف حاصل گشته است. این نظریه‌ی پیمانه‌ای الکترو ضعیف منتسب به واینبرگ، سلام و گلاشو (WGS) با تبادل چهار بوزون برداری-فوتون، ذرات باردارW (W^-,W^+) ، و Z خنثی مشخص می‌شود. تاکنون برهم کنش‌های ضعیف در واکنش‌هایی که شامل تبادل بوزون‌های Z وW هستند، و نیز توسط تداخل میان Z و فوتون‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اکنون، در آزمایشی که در تسهیلات فیزیک مزونی لوس‌آلاموس (LAMPF) جریاندارد، شواهد مبنی بر تداخل Z-W+در شرف آشکار شدن‌اند. آزمون مهم دیگر پیرامون نظریه‌ی WGS، با پراکندگی کشسان نوترینوهای الکترونی توسط الکترون‌ها، v_e e-e، صورت می‌گیرد. پراکندگی vee از طریق جریان‌های ضعیف باردار و خنثی-تبادل بوزون‌های W+وZ0هر دو-رخ می‌دهد، و لذا نسبت به تداخل آنها حساس است؛ نظریه‌ی WGS، تقریباً یک کاهش 40 درصدی را در سطح مقطع کشسان کل پیش‌بینی می‌کند. با استفاده از یک باریکه‌ی شدید v_e (با انرژی‌های تا MeV53) از متوقف کننده‌ی باریکه‌ی پروتونی LAMPE، دانشگاه کالیفرنیا در ایروین، آزمایشگاه لوس آلاموس، و دانشگاه مریلند با همکاری یکدیگر نخستین مشاهده‌ی تجربی پراکندگی v_e انجام داده‌اند.
رویدادهای پراکندگی نوترینو-الکترون به صورت مسیرهای منفرد پس‌زنش الکترون در یک آشکارساز15 تنی که در نزدیکی متوقف کننده‌ی باریکه قرار گرفته است، ظاهر می‌شوند. انتظار می‌رود که این رویدادها در یک مخروط 16 درجه‌ای در حول امتداد نوترینو‌ی فرودی متمرکز باشند، و در واقع نیز توزیع زاویه‌ای مشاهده شده، یک قله‌ی بارز را در زوایای جلو نشان می‌دهد. آهنگ اندازه گرفته شده، حتی با شتاب‌دهنده‌ی LAMPFکه باریکه‌ای از پروتون تا mA1 را تولید می‌کند، فقط تقریباً هر 2 روز یک رویداد است. پس از 6 ماه مطالعه، آزمایشکاران 15+51 رویداد را برای پراکندگی v_e e گزارش کرده‌اند. این نتیجه با پیش‌بینی 8+53 رویداد توسط نظریه‌ی WGSسازگار است. آزمایش یاد شده، با قصد افزایش قابل توجه تعداد رویدادهای v_e e، در نتیجه بیان قاطعی پیرامون تداخل Z-W+ادامه دارد.
قله‌های بی‌هنجار پوزیترون در سیستم‌های برخورد کننده‌یسنگین
در موارد بسیار در گذشته، توانایی ما در ایجاد شرایط خاصی در آزمایشگاه منتهی به اطلاعات منحصر به فردی پیرامون ساختار ماده شده است. با برخورد پرتابه‌های سنگینی نظیر Thو U با اتم‌های Th ، Uو Cm در انرژی‌هایی که بتواند این ذرات را به تماس با یکدیگر در آورد، چنین موقعیت‌هایی بالقوه ایجاد می‌شود. در مدت زمان کوتاهی که دو هسته نزدیک یکدیگرند. کل بارهای هسته‌ای ممکن است مغزی مرکزی شبه اتمی را به وجود آورند که محیط اتمی قابل انتظار در یک اتم ابر سنگین با عدد اتمی تا 188 را ایجاد کند. علت توجه خاص به این گونه سیستم‌ها، وجود میدان‌های الکتریکی با شدت‌های فوق‌العاده زیاد است که داخلترین الکترون‌ها لایه‌ی K در شبه اتم یاد شده را با انرژی بیش از دو برابر انرژی سکون الکترون (mc22) به قید می‌کشد و به این ترتیب، آزمودن این عقیده‌ی بنیادی در نظریه‌ی کوانتومی میدان‌ها که پوزیترون می‌تواند در میدان‌های ایستای قوی خارجی خود به خود از خلأ زاده شود را ممکن می‌سازد.
به بیان روشنتر، سرچشمه‌ی ناپایداری در خلأ الکترون پوزیترون را می‌توان به صورت تغییری در سرشت حالت مقید الکترون، هنگامی که انرژی بستگی آستانه‌ی 2mc2 فراتر می‌رود، در نظرگرفت. هنگام عبور از این مرز، حالت مقید تبدیل به یک تشدید می‌شود و حالت واپاشنده‌ای را به وجود می‌آورد که سرآغاز ناپایداری است. از ملاحظات انرژی می‌توان نشان داد که اگر حالت‌های لایه‌ی K اشعال نشده باشند، خلأ آنها را با ایجاد زوج پر می‌کند و به این ترتیب خود به خود پوزیترون مربوط به زوج را گسیل می‌دارد. بنابراین، در الکترودینامیک کوانتومی (QED) پیش‌بینی می‌شود که خلأ خنثی (بار لخت هسته‌ای به صورت یک ناظر در نظر گرفته می‌شود) در میدان‌های الکتریکی ابر بحرانی جرقه بزند و پوزیترون‌های حاصل، انرژی جنبشیی مساوی با مازاد انرژی بستگی لایه‌ی K از 2mc2را حمل کنند. خلأ باردار حاصل، حالت پایه‌ی جدید QED در میدان‌های ابر بحرانی است. امکان آنکه این فرایند واقعاً مشاهده شده باشد، اخیراًبا کشف مهم قله‌های پوزیترون باریک گسیل شده در سیستم‌های برخورد کننده‌ی ابر بحرانی در انرژی‌های بمباران نزدیک به سد کولنی، افزایش یافته است. باید تأکید کرد که با مشاهده‌ی این قله‌ها، علاوه بر امکان ارتباط آنها با گسیل خود به خودی پوزیترون، به دلایلی کلی توجه بسیار زیادی را برانگیخته است زیرا صرف پیدا شدن چنین ساختارهای باریک و انرژی-پایین پوزیترون، به سهم خود بی هنجار است و به توضیح نامتداولی احتیاج دارد که احتمالاً در بردارنده‌ی چشمه‌ای است که قبلاً آشکار نشده است. اگر این قله‌های باریک در واقع مشخصاً در ارتباط با گسیل خود به خودی پوزیترون باشند، در این صورت این موضوع جالب پیش می‌آید که نوعی سیستم با طول عمر زیاد تشکیل می‌شود و این سیستم سرمنشأ میدان ابر بحرانی است.
در این ارتباط، گراینر و همکارانش نشان داده‌اند که ظهور قله‌ی پوزیترون در سیستم برخورد کننده‌ی U+Cm، انرژی و شدت آن، همه، را می توان با پیشنهاد تشکیل یک سیستم خیلی بزرگ دو هسته‌ای فراپایدار (با عمر تقریبی ?10?^(-19) s) با بارکل z_u=188 در کسر کوچکی (1/0%) از برخوردهای نزدیک، توجیه کرد. سازوکار توصیف این پیکربندی شبه مولکولی هسته ای به این صورت است که اجزای برخورد کننده در حفره‌ای که در پتانسیل کولنی توسط نیروهای هسته ای تشکیل می‌شود به دام می‌افتند. بنابراین، طیف های خطی پوزیترون ممکن است به منبع اطلاعاتی منحصر به فردی درباره‌ی گونه‌های غریب هسته‌ای با جرم‌هایی خیلی بیش از جرم هر هسته‌ی مرکبی که تا به امروز تشکیل شده است، تبدیل شوند.
با این همه، وقتی مقایسه‌ی با آزمایش را به سایر سیستم‌های برخورد کننده تعمیم می‌دهیم، این پیشنهاد مواجه با اشکالاتی می‌شود. یک ویژگی مخصوصاً متمایز این مدل، مقیاس بندی قابل توجه ?z_u?^20 برای انرژی‌های قله در مورد سیستم‌هایی با توزیع‌های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی مشابه است. این پیش‌بینی برای بارهای ابر بحرانی در گستره‌ی 180 تا188 آزموده شده است. بر خلاف یک ضریب 3 که از مقیاس بندی ?z_u?^20 (z به توان 20) انتظار می‌رود، در انرژی قله‌ها یک تساوی تقریبی دیده شده است. این نتایج را فقط در تصویر گسیل خود به خود پوزیترون در وضعیت بعیدی که در آن پیکر بندی های بار هسته‌ای و حالت‌های یونشی کاملاً متفاوتی ا به سیستم‌های مرکب نسبت می‌دهند (با z_u های اتفاقی به گونه‌ای که یک انرژی بستگی ثابت لایه‌ی K را حفظ کنند) می‌توان توجیه کرد. اکنون این سؤال پیش می‌آید که آیا این قله‌هادر سیستم‌هایی که در آنها انتظار بستگی ابر بحرانی نمی‌رود نیز رخ می‌دهند یا خیر. با دنبال کردن این سؤال در سیستم Th+Ta با z_u=163، که کاملاً زیر آستانه‌ی گسیل خود به خودی پوزیترون، z_u=173، برای چگالی متعارف هسته‌ای است، یک گروه (آزمایشکار)، قله‌ای را تقریباً با همان مشخصاتی که در سیستم‌های ابر بحرانی یافت می‌شود، مشاهده کرده است. تحلیل‌های اخیر ظاهراً حکایت از این می‌کند که بخش اعظم شدت قله نمی‌تواند مربوط به یک گذار هسته‌ای باشد. اگر پس از بررسی‌های دقیقتر باز هم این نتیجه گیری درست باشد، تولید خودبهخودی پوزیترون به عنوان یک منشأ احتمالی برای تمام قله‌ها بشدت رد می‌شود. در توجیه ویژگی برجسته‌ی یک انرژی قله‌ی مشترک، این پیش‌بینی مطرح شده است که قله‌ها ممکن است از واپاشی دو-جسمی ذره‌ی خنثایی که در برخوردها تولید شده ولی قبلاً آشکارسازی نشده است منشأ بگیرند. یک سیگنال واضح برای وجود چنین ذره‌ی خنثایی می‌تواند توسط یک الکترون تک انرژی حاصل از واپاشی ذره به e^++e^- و نیز یک انرژی کل آزمایشگاهی خیلی مشخص برای زوج فراهم شود. آفرینش زوج‌های ذرات باردار نیز امکان دیگری است که باید آن را در نظر گرفت. آزمایشی که هر دوی این پیش بینی‌ها را بررسی می‌کند اکنون در GSI، دارمشتارت، آلمان غربی، در حال انجام است.
بعضی رفتارهای جدید در اسپین‌های بالا
در یکی دو سال گذشته نظرهای جدیدی در فیزیک هسته‌ای اسپین‌های بالا اظهار شده است. علت این امر پیدا شدن یک روش نظری که خوشبختانه تا حدودی دارای قدرت واقعی پیش‌بینی است، و نیز برخی پیشرفت‌های تجربی بوده است. این روش، نیروهای کوریولی و گریز از مرکز را با دوران (چرخاندن) یک پتانسیل مدل لایه‌ای در حول یکی از محورهایش، وارد سیستم هسته‌ای می‌کند. تغییر بسامد چرخش، گستره‌ای از حالت‌های با گشتاورهای زاویه‌ای متفاوت (اسپین) را تولید می‌کند، درست همان گونه که تغییر دادن تراز فرمی در پتانسیل، گستره‌ای از هسته‌های با تعداد مختلف نوکلئون را تولید می‌نماید. از نظر تجربی، فیزیک اسپین‌های بالا مبتنی بر طیف نگاری پرتوهای گاما است و در حال حاضر آرایه‌های بزرگی از آشکار سازهای ژرمانیوم( که اثر کامپتون در آنها مهار شده است) با قدرت تفکیک بالا در دست ساختمان است. این آشکار سازها را در اطراف توپهایی بنا می‌کنند با قدرت تفکیک پایین که کاملاً تنگاتنگ هم قرار گرفته‌اند و اصولاً تک تک 20-30 پرتوی گامای گسیل شده در واانگیزش یک حالت اسپین – بالا را آشکار می‌کنند. این پیشرفت تجربی در آزمایشگاه دارزبری در انگلستان به وقوع پیوسته است، و مطالعات در اسپین‌های حدود 40 در هسته‌های خاک‌های نادر را، که در آنها دگرگونی‌های رفتاری جالبی رخ می‌دهد، امکان‌پذیر می‌سازد. در اینجا سه ایده‌ی جدید را که از این مطالعات نشأت می‌گیرد توصیف می‌کنیم. یکی از چندین تغییر مهمی که بر اثر لفزایش اسپین در هسته‌ها رخ می‌دهد، با تزویج در ارتباط است. زوج‌های نوکلئونهای مشابه سعی می‌کنند که در مدارهای زمان- معکوس با یکدیگر جفت شوند و اسپین کل صفر را بدهند. گاهی اوقات تعدادی از این زوج‌های با اسپین صفر به گونه‌ی همدوسی موسوم به همبستگی‌های تزویجی خیلی شبیه به ابر رسانا‌ها و ابر شاره‌ها، از یک مدار به مدار دیگر پراکنده می‌شوند. ابر شارگی هسته‌ای نه تنها با دما ( شبیه مانسته‌های ماکروسکوپیک آن) بلکه با گشتاور زاویه‌ای، که مستلزم باز جفتیدگی زوج‌ها به اسپینی بزرگتر از صفر است، فرو نشانده می‌شود. تزویج هسته‌ای شکننده است – مبتنی بر فقط 6 یا 8 نوکلئون از هر نوع – و نمی‌تواند در تکانه‌های زاویه‌ای بالا دوام آورد. در ناحیه‌ی چرخشی هسته‌های خاک‌های نادر، انتظار می‌رود که همبستگی‌های تزویجی نوترون وقتی اسپین به 40 می‌رسد از میان برود، و تجربه نیز نشان می‌دهد که بخش اعظم این همبستگی از میان می‌رود. با این همه، باز هم مشاهده می‌شود که تعداد حالت‌هایی که در آنها جفت شدگی بعضی از زوج‌های نوترون با اشپین صفر است، بیش از تعداد حالت‌های با سایر جفت شدگی‌ها برای این نوترون‌هاست. این نشانه‌ی آن است که بعضی از آثار تزویج هنوز باقی است و اکنون پیشنهاد شده است که همبستگی‌های تزویجی (که مربوط به چرخش‌هادر فضای پیمانه‌ای‌اند) پایان نمی‌یابند بلکه در عوض تبدیل به افت و خیزهای تزویجی (ارتعاش‌هایی در فضای پیمانه‌ای) می‌شوند. این افت و خیزها نیز باید با افزایش گشتاور زاویه‌ای از میان بروند, ولی آهسته‌تر, تا با تجربه سازگارتر باشند. یک سؤال اساسی این است که نوکلئون‌ها برای تولید یک اسپین بالا چگونه با هم جفت می‌شوند؟ دومین پیشرفت جدید پاسخ به این سؤال را در مورد تعدادی نوکلئون واقع در خارج یک لایه‌ی بسته, (نوکلئونهای ظرفیت) تا حدودی روشن می‌سازد. محاسبه و تجربه در این امر توافق دارند که تعدادی کافی از نوکلئونهای ظرفیت از هر نوع ( هم ÷روتون‌ها و هم نوترون‌ها) ترجیحاً یک هسته‌ی کشیده‌ی با چرخش جمعی را به وجود می‌آورند, و حال آنکه اگر این مقدار کافی نباشد, نتیجه‌ی امر هسته‌ای است به شکل پخت (یا, اگر اسپین پایین باشد, کروی) و یک رفتار غیر جمعی که در آن گشتاورهای زاویه‌ای ذرات جدای از هم جهت می‌گیرند. وضعیت جالبی در مرز میان این دو ناحیه رخ می‌دهد, جایی که در آن نوارهای پایانه‌دار می‌توانند وجود داشته باشند, که در آنها اسپین‌های پایینتر به صورت جمعی می‌چرخند, اما به‌تدریج فشار برای حصول گشتاور زاویه‌ای بیشتر نوکلئونهای ظرفیت را به حد غیر جمعی پخت می‌راند و نوار پایانمی‌یابد. این گونه نوارها در هسته‌های سبک دیده شده‌اند؛ مثال کلاسیک در این زمینه Ne است, که در آن نوار در اسپین 8 پایان می‌یابد. محاسبات اخیر ابتدا حاکی از آن بود که رفتار مشابهی ممکن است در هسته‌های خیلی سنگینتر نیز قابل مشاهده باشد. نخستین مثال تجربی نسبتا روشن Er است, که اخیراً معلوم شده است تا اسپین 30, کشیده و جمعی است, و پس از آن دنباله‌ای نامنظم, اما ظاهراً تا حدودی جمعی, از ترازها تا یک حالت غیر جمعی در اسپین 42 ادامه می‌یابد, و به احتمال قوی پایانه‌ی نوار پیش‌بینی شده‌ای دارد که در آن تمامی 10 نوکلئون ظرفیت کاملاً هم جهت‌اند. در هسته‌ی مجاور Er,، دنباله‌ی مشابهی دیده می‌شود که در اسپین 46 پایان می‌یابد (تمامی 12 نوکلئون ظرفیت آن، هم جهت‌اند). اینکه تا چه حد تصویر نوار پایانه‌دار می‌تواند این دنباله‌ها را توصیف کند در آینده معلوم خواهد شد، اما به نظر می‌رسد که لااقل حالت‌های پایانه‌دار با جهتگیری کامل تا حدود زیادی مطابق با محاسبات رخ می‌دهند. ایده‌ی سوم, تازه دارد فرمولبندی می‌شود اما دارای پیامدهای مهیجی است. اغلب کارهای انجالم شده در زمینه‌ی اسپین‌های بالا تاکنون، شامل تفکیک تک تک پرتوهای گاما، ساختن طرح وارهای تراز از آنها، و تفسیر این طرح وارها بوده است. این روش برای اسپین‌های تا 30 یا 40 کارساز است، جایی که بیشتر جمعیت حاصل از یک واکنش هسته‌ای، به پایین‌ترین حالت‌های (سرد) معدود هر اسپین چگالیده می‌شود. با این همه، در اسپین‌های بالاتر، تقریباً تمامی جمعیت از تعداد زیادی حالت‌های شدیداً برانگیخته (داغ) می گذرند که در آنها چگالی تراز کلی بالاست. تک تک پرتوهای گامای حاصل از این ناحیه را نمی‌توان تفکیک کرد، اما ویپگی‌های کلی آنها را می‌توان مطالعه کرد، مثلاً این نکته معلوم شده است که این پرتوها اکثراض از گذارهای نوع چرخشی‌اند. بنابراین اخیراً توجه به فهم این مطلب معطوف شده است که بر اثر بر هم نهش یک نوار چرخشی با چگالی بالایی از ترازهای دیگر، که تک تک اعضای نوار باید با آنها مخلوط شوند، چه رخ می‌دهد. نتیجه‌ای که اخیراً به آن پی برده‌اند این است که همبستگی‌های معمولاً قوی میان انرپی‌های پرتو گاما در یک دنباله‌ی چرخشی، باید ضعیفتر باشند، و این چیزی است که با برخی از مشاهدات تجربی اخیر در توافق عالی است. برای پی بردن به اینکه در این آبشار های با اسپین خیلی بالا چه می‌گذرد، هنوز کارهای زیادی باید انجام داد، اما اینکه آمیزش ترازها (میرایی) دارای نقشی باشد، اکنون محتمل به نظر می‌رسد. اینکه شاید ما بتوانیم از مطالعات مربوط به اسپین‌های بالا چیزی راجع به میرایی بیاموزیم، تا حدود یک سال قبل کاملاً بعید به نظر می‌رسید.
تاریخ : شنبه 94/8/9 | 10:4 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
چکیده
کاربردهای روز افزون آفت کش ها برای اهداف کشاورزی موجب شده تا ریسک جدی در زمینه‌ی استفاده از این مواد ایجاد گردد. این ریسک به دلیل وجود باقیمانده های این آفت کش ها در غذا و آب آشامیدنی، ایجاد می شود. از آنجایی که ایمنی غذا یک مسئله‌ی بسیار مهم می باشد، لذا علاقه‌ی رو به رشدی در زمینه‌ی توسعه‌ی روش های تحلیلی ارزان قیمت و قابل اطمینان برای اندازه گیری باقیماندهی آفت کش ها در غذا، بوجود آمده است. بوسیله‌ی این اندازه گیری ها و آنالیزها، اطمینان حاصل می شود که باقیماندهی آفت کش ها کمتر از میزان حد مجاز (MRI) است. در سال های اخیر، یک روش جدید با استفاده از پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) توسعه یافته است که نه تنها غلظت این آفت کش را تعیین می کند، بله همچنین توانایی استخراج انتخابی ماده‌ی مورد آنالیز را نیز دارا می باشد. این توانایی در زمانی حیاتی است که نمونه یک ماده‌ی پیچیده است و یا وجود ناخالصی در شناسایی اختلال ایجاد می کند. هدف از این بررسی، بررسی کلی زمینه‌ی پلیمرهای نشاندار مولکولی است. تمرکز این بررسی بر روی آماده سازی پلیمرهای نشاندار مولکولی و استفاده از آنها به عنوان جاذب برای استخراج حالت جامد می باشد. این مقاله، بر روی بررسی حالت کنونی استفاده از این پلیمرها به عنوان مواد انتخابی در استخراج حالت جامد نشاندار مولکولی تمرکز دارد که برای آنالیز باقیماندهی آفت کش ها در غذاها ، مورد استفاده قرار گرفته است. یک بررسی برروی آماده سازی و استفاده از پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) در غذاها نیز مورد بحث قرار گرفته است.مقدمه
امروزه، کشاورزی مدرن به طور گسترده مواد شیمیایی استفاده می کند. این مواد شیمیایی عمدتا در کودها و آفت کش ها قرار دارند. هدف از استفاده از این آفت کش ها و سموم، افزایش تولید محصولات غذایی می باشد. آفت کش های گیاهی مورد استفاده عمدتا به گروه های مختلف مواد شیمیایی تعلق دارند. این گروه ها عبارتند از ارگانو فسفرها (OPPs)، ارگانوکلرین ها (OCPs) و پیرتروییدها. استفاده از آفت کش ها می تواند موجب باقیماندن این مواد در غذا شود. در واقع متابولیسیم این مواد در هر محیطی (یعنی آب و خاک)، باعث می شود تا باقیمانده های این مواد شیمیایی در محصولات اساسی کشاورزی مانند جو و گندم، سبزیجات و میوه جات وجود داشته باشند. در سال های اخیر، مطالعات زیادی که در این زمینه انجام شده است، نشان داده است که این آفت کش ها موتاجنیک، سرطان زا، سیتوکسیک، ژنوکسیک، تراتوژنیک و ایمونوتوکسیک هستند و برخی بر روی عملکرد تولید اثر نامناسب دارند. بنابراین، انالیز باقیمانده های آفت کش ها در غذا و محیط زیست هنوز هم به عنوان یک موضوع بارز، مطرح می شود. سمیت باقیمانده های آفت کش ها موجب شده است تا قوانین و مقرراتی در مورد استفاده از آنها و میزان حد مجاز (MRI) آنها در غذا، برای آنها تدوین گردد. این قوانین این اطمینان را حاصل می کنند که میزان ماده‌ی سمی موجود در غذا در حد مناسبی است و بدین وسیله اثرات بد آنها بر روی سلامتی کاهش یافته است. یکی دیگر از اهداف ارزیابی میزان آفت کش ها در غذاها، اطمینان حاصل کردن از این موضوع است که ریسک سلامتی غذایی مربوط به رژیم غذایی حفظ شده است. اتحادیه‌ی اروپا، قوانین مربوط به کشاورزی و محصولات غذایی ایالات متحده‌ی آمریکا (FAO) و سازمان سلامت جهانی (WHO) هر کدام دارای میزان حد مجاز (MRI ) مربوط به آفت کش ها، هستند. قوانین مربوط به MRI با توجه به آنالیزهای حساس بدست آمده اند. با توجه به انواع مختلفی از آفت کش ها که ممکن است در داخل محصولات کشاورزی وجود داشته باشند، توسعه‌ی روش های آنالیز و نوع روش آنالیز مورد استفاده، خود به چالشی بزرگ تبدیل شده است. اخیرا، تکنولوژی پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIP) بر پایه‌ی شناسایی مولکولی، توسعه یافته است. از این مواد در کاربردهای دیگر مانند جاذب های انتخابی در استخراج فاز جامد (MISPE) یا فازهای ثابت در کروماتوگرافی با کارایی بالا (HPLC) نیز استفاده می شود. استفاده از این مواد در این کاربردها، یک ابزار جدید و همه کاره برای تشخیثص کمی انتخابی مواد سمی در داخل غذا مهیا کرده است. در حقیقت، این به نظر می رسد که این روش برای کاربردهای استخراجی مناسب است و می توان از آن برای تشخیص مواد سمی مختلفی استفاده کرد. این روش همچنین دارای انتخاب پذیری قابل توجهی است. یاری این مطالعه، توصیف توسعه های اصلی در زمینه‌ی کاربردهای MIP ها در زمینه‌ی کاربردهای غذایی است. تمرکز این مطالعه بر روی مواد سمی موجود در غذاهاست. ما همچنین مزیت های استفاده از MIP ها را برای شناسایی و اندازه گیری مقادیر آفت کش ها در غذاها را مورد بررسی قرار داده ایم.تکنولوژی پلیمرهای نشاندار مولکولی (MIPs)
سنتز پلیمرهای نشاندار مولکولی
نشاندار کردن مولکولی یک روش بر پایه‌ی تمپلیت است که اجازه‌ی طراحی و سنتز مکان های تشخیصی مصنوعی را می دهد. این مکان ها به نحوی مهندسی شده اند که برای هدف مورد نظر و ماده‌ی مورد نظر، آماده می شوند. به طور خلاصه باید گفت، تکنولوژی نشاندار کردن منجر به تشکیل ساختارهای ماکرومولکولی سه بعدی می شود. این ساختارها بوسیله‌ی فرایند پلیمریزاسیونی تولید می شوند که در آن از مولکول تمپلیتی و یک مونومر فانگشنال استفاده شده است. در واقع با انجام کوپلیمریزاسیون در حضور عوامل ایجاد پیوند عرضی و یک حلال پروژنیک، فرایند پلیمریزاسیون انجام می شود. از انجایی که تشکیل یک کمپلکس تمپلیت- مونومری برای پدیده‌ی نشاندار کردن مولکولی، حیاتی است، مونومرهای فانگشنال که برای سنتز مورد استفاده قرار می گیرند، باید با مولکول های تمپلیت واکنش دهند. در این فرایند، مونومرها به طور فضایی در حول تمپلیت قرار می گیرند و یک چنین وضعیتی بوسیله‌ی کوپلیمریزاسیون (پیوند عرضی) حفظ می شود. بعد از زدایش مولکول های تمپلیت، بواسطه‌ی اعمال چندین مرحله شستشو، ارتباط میان تمپلیت و مونومر گسسته می شود و مکان های اتصال ایجاد می شود. مولکول های نشاندار شده‌ی منتج شده، می توانند به عنوان یک زمینه‌ی ماکرومتخلخل در نظر گرفته شوند که دارای مکان های تشخیصی خاص و معینی هستند. به این مکان ها بخش های نشاندار می گویند. با ایجاد این بخش ها، امکان آنالیز انتخابی وجود دارد. با ایجاد این بخش ها، پلیمر قادر است به طور انتخابی از مولکول نشاندار جدا شود و در داخل یک مخلوط رهاسازی شود (شکل 1). در نتیجه، این مواد پلیمری به طور انتخابی تنها بر روی مولکول های تمپلیت اتصال می یابند. در اینجا، انتخاب محتویات شیمیایی مورد استفاده در تولید MIP، نقش مهمی ایفا می کند زیرا این ترکیبات دارای اثر قابل توجهی بر روی مورفولوژی، خواص فیزیکی- شیمیایی و کارایی مواد پلیمری مورد استفاده، د ارند.
روش شبه کوالانس از پیوند کوالانسی میان تمپلیت و گروه های با قابلیت ایجاد پلیمر، استفاده می کند. استفاده از این پیوند ها منجر به تشکیل پلیمر می شود (شکل 4). در برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی، از پیوند دهی مجدد تمپلیت استفاده می شود. مشابه با روش نشاندار کردن کوالانسی، روش شبه کوالانسی نیز به تعداد اندکی از گروه های عامل دار، محدود می شود. این گروه ها را باید پیش از پلیمریزاسیون، بر روی تمپلیت ایجاد کرد.
تاریخ : جمعه 94/6/27 | 10:31 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
روش های پلیمریزاسیون
در بین چندین روش پلیمریزاسیون گزارش داده شده برای آماده سازی MIP ها (یعنی روش های بالک، سوسپانسیونی، رسوب دهی، تورمی و پلیمریزاسیون در جا)، روش پلیمریزاسیون در جا متداول ترین روش مورد استفاده است. این روش ساده و همه کاره است. پلیمریزاسیون بالک بر اساس سنتز پلیمرهای مونولیتیکی بلوک انجام می شود. بعد از تهیه ی پلیمر مورد نظر، فرایند خردایش، آسیاب کاری و آسیاب کردن برای تولید اندازه ی ذرات مناسب، مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از فرایند رسوب دهی، اندازه های این ذرات در گستره ی 25 تا 50 میکرون تنظیم می شود. ذرات باقیمانده با اندازه ی مناسب، خشک می شوند و در میان دو فریت، بسته بندی می شوند. پلیمریزاسیون بالک یک فرایند زمان بر و هزینه بر می باشد. شکل غیر منظم ذرات دارای اثر مهمی بر روی قرارگیری و پک شوندگی ذرات در داخل ستون آزمایش دارد. این مسئله مخصوصا در زمانی نمود دارد که از این ذرات در LC با فاز ثابت یا الکتروکروماتوگرافی کاپیلاری (CEC) استفاده می شود. در پلیمریزاسیون سوسپانسیونی، مخلوط پلیمریزاسیون در حلال آلی به صورت سوسپانسیون در می آید. در این سوسپانسیون قطراتی از جنس غیر متجانس با حلال آلی وجود دارد. فرایند با استفاده از یک مکانیزم رادیکال آزاد، در این قطرات انجام می شود و هر قطره به عنوان یک رآکتور عمل می کند. این روش، روش قابل اطمینان برای تولید پلیمرهاست و دارای بازده بالایی است. همچنین استفاده از این فرایند، خواص کروماتوگرافی را بهبود می دهد. روش پلیمریزاسیون دیگر، روش رسوب دهی است. این روش نسبت به روش های دیگر متفاوت است. علت این تفاوت استفاده از مقادیر قابل توجه از پروژن نسبت به روش بالک می باشد. در طی این فرایند، زنجیره های پلیمری رشد داده می شوند و به خاطر عدم حلالیت آنها در فاز مایع، رسوب می کنند. کنترل دقیق پارمترهای مختلف که بر روی فرایند پلیمریزاسیون، اثر می گذارند، موجب پدید آمدن کره های میکرویی و نانویی می شود. علاوه بر سادگی و بازده بالای واکنش، برخی محدودیت ها برای این روش بیان شده است. از جمله از این محدودیت ها می توان استفاده ی از مقادیر قابل توجه از حلال های پروژنی و عوامل واکنش را بیان کرد. به نظر می رسد که اشکال غیر منظم و طبیعت کلوئیدی ذرات بدست آمد، نیز از جمله سایر محدودیت های این روش به شمار می آید. برای برطرف کردن برخی از محدودیت های مربوط به اندازه، توزیع و شکل ذرات MIP، یک روش پلیمریزاسیون بر پایه ی تورم ذرات با اندازه ی یکسان، توسعه یافته است. این روش،روشی بهبود یافته است که منجر به توسعه ی پیش ماده های پیچیده تر می شود. اگرچه بازده این روش بالاتر است، اما این روش بهبود یافته بیشتر محدود به کارهای آزمایشگاهی است و برای پیش ماده های پیچیده، مورد استفاده قرار می گیرد.MIP ها همچنین می توانند با روش پلیمریزاسیون درجا تولید شوند. با استفاده از این روش، مونولیتیک هایی از جنس MIP به صورت کوالانسی بر روی دیواره ی داخلی یک لوله ی کاپیلاری از جنس سیلیس فیوزد شده، ایجاد می شوند. در این روش از فریت استفاده نشده است. برای حصول پلیمریزاسیون، لوله های کاپیلاری تحت تابش UV قرار می گیرند. این کار در داخل یک حمام حرارت دهی انجام می شود. در مرحله ی نهایی، بخش سیلیسی شسته می شود. این کار با استفاده از حلال های مناسب انجام می شود. این روش نسبت به روش قبلی ساده تر و سریع تر است.
MIP ها در استخراج حالت جامد
استخراج از فاز جامد (MISPE) می تواند به عنوان پیشرفته ترین کاربرد MIP ها در نظر گرفته شود. روش استخراج می تواند به صورت مزدوج شده با روش کروماتوگرافی مایع (LC) یا بدون آن، مورد استفاده قرار گیرد. در این روش استخراج حالت جامد، ذرات MIP به عنوان مواد جاذب انتخابی، مورد استفاده قرار گیرد. این پلیمرها می تواند در داخل ستون های PLC یا در بین بخش های فریتی، قرار داده شوند. روش MISPE میزان دستکاری نمونه را به حداقل می رساند و میزان اتلاف مواد مورد آزمایش را کاهش می دهد. روش بدون LC، روشی ساده تر و متدول تر است. مشابه SPE کلاسیک، اصول MISPE از چهار مرحله تشکیل شده است: آماده سازی جاذب، نفوذ نمونه به داخل MIP، شستشو و زدایش ترکیبات سطح مشترک مولکولی و شستشوی مواد مورد آنالیز (شکل 1). انتخاب حلال برای مرحله ی انتقال، باید به طور خردمندانه انتخاب گردد به نحوی که حلالی انتخاب گردد که میزان قطبی بودن آن مشابه حلال مورد استفاده در فرایند پلیمریزاسیون باشد. در مراحل دیگر، حلال باید قادر باشد از ایجاد برهمکنش های میان مونومرهای باقیمانده بر روی سطح MIP، جلوگیری کند؛ بدون آنکه برروی مکان های اتصال،اثر بگذارد. بعد از واجذبی مواد مورد آزمایش قرار گرفته، با استفاده از یک حلال مناسب، قادریم تا برهمکنش های میان مواد مورد آنالیز و MIP ها را قطع کنیم.
باقیمانده ی آفت کش ها در مواد غذایی می تواند موجب پدید آمدن ریسک های بسیاری برای سلامتی انسان ها شود ؛ بنابراین، بررسی این مواد در داخل مواد غذایی، یکی از مسائل مهم در صنعت محسوب می شود. تکنیک های تحلیلی به منظور تشخیص و ردیابی باقیمانده ی آفت کش ها در داخل غذا، بسیار حساس هستند زیرا مقدار این آفت کش ها در داخل مواد غذایی، بسیار اندک می باشد. همچنین تنوع و پیچیدگی نمونه ها و آفت کش های مورد استفاده موجب می شود تا نیاز به روش های جدید، بیشتر به چشم بخورد. هر بررسی دقیق که در آن از چندین روش استفاده شده است، معمولا برای تشخیص و ارزیابی میزان باقیمانده ی آفت کش ها در داخل مواد غذایی، مورد استفاده قرار می گیرد. اکثر این روش ها، نیازمند یک مرحله ی آماده سازی نمونه هستند. در این روش های آماده سازی، مواد شیمیایی مورد نظر از زمینه ی پیچیده به داخل یک محیط جدید، انتقال می یابد که این محیط جدید با روش آزمایش و آنالیز همخوانی دارد. اغلبا در این مرحله، یک پیش ماده ی تمیز از مواد مورد آنالیز، ایجاد می کند که زمان آماده سازی در این حالت، زیاد است و اگر نکات کاری در این مرحله رعایت نشود، امکان ایجاد خطا در محاسبات وجود دارد. برای جداسازی و اندازه گیری کمی، روش های تحلیلی GC و HPLC معمولا انتخاب می شوند. استخراج از فاز جامد، اغلب انتخاب می شود اما فقدان خاصیت گزینش پذیری در این روش، موجب می شود تا استفاده از این روش، مشکل آفرین باشد. یک ابزار قدرتمند در آماده سازی نمونه، تکنولوژی نشاندار کردن مولکولی است. یک محدودیت شناخته شده برای MIP ها، مخصوصا آنهایی که از برهمکنش های غیر کوالانسی استفاده می کنند، این حقیقت است که پیوند ایجاد شده با مواد مورد آنالیز، عمدتا از جنس پیوند هیدروژنی است. این پیوند نسبتا ضعیف است و امکان مختل شدن آن وجود دارد. این بدین معناست که در استخراج، وقتی از آب استفاده شود، مولکول های آب با مولکول های مواد شیمیایی رقابت می کنند و این مسئله منجر به کاهش انتخاب پذیری و ظرفیت پیوند دهی می شود. آسان ترین راه برای فایق آمدن بر این مشکل، استفاده از حلال های آلی است. امروزه، از جاذب های MIP برای شستشوی انتخابی به جای یون های استخراج کننده، استفاده می شود. MIP ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند و از آنها به عنوان جاذب برای SPE استفاده می شود. این مواد اجازه ی پیش تغلیظ مواد مورد آنالیز و تمیز کردن نمونه ها را می دهد. با استفاده از آنها امکان شستشوی اجزای زمینه ای وجود دارد. با توجه به مروری که بر روی SPE انجام شده است، این فهمیده شده است که دو نوع آفت کش که در MISPE مورد استفاده قرار می گیرد، به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند. این دو نوع آفت کش عبارتند از آعلف کش های بر پایه ی تریزین و آفت کش های بر پایه ی اوره. استفاده از روش MISPE برای بررسی میزان علف کش تریزین، از جمله از قدیمی ترین بررسی ها در این زمینه است. استفاده از روش SPEs برای بررسی میزان علف کش تریزین با استفاده از MIP ها، یکی از روش های موفق در این زمینه بوده است. Matsui و همکارانش به این نکته اشاره کرده اند که استفاده از خود مواد مورد بررسی به عنوان تمپلیت، می تواند مسئله ای گیج کننده است زیرا این استفاده ممکن است از حضور تریزین های باقیمانده در پلیمر نهایی، جلوگیری نکند و موجب ایجاد یک سطح مشترک از جنس مواد مورد آزمایش، شود. برای فایق آمدن بر این مشکل، استفاده از آلکیل ملامین یا استفاده از دی بوتیل ملامین به جای آترازین ( به جای تمپلیت برای سنتز پلیمر)، پیشنهاد شده است. در سال 2003، Cacho و همکارانش یک رویه ی دو مرحله ای برای فایق آمدن بر مشکلات مربوط به استفاده از MISPE برای نمونه های پیچیده، ارائه کردند. MISPE دو مرحله ای شامل یک ترکیب از دو کارتریج پلیمری است که یکی نشاندار است و دیگری، غیر نشاندار. کارتریج اول، مواد مورد آنالیز و ترکیب زمینه را حفظ می کردند اما مواد مورد آنالیز به آسانی شستشو می شدند. سپس، عصاره های نمونه ها ی تمیز با استفاده از روش MISPE، بدست می آمدند. استفاده از این روش در نخود فرنگی، سیب زمینی و غلات، اجازه ی تشخیص و اندازه گیری 5 تریازین مختلف را می داد. این در حالی است که غلظت این مواد کمتر از حد ماکزیمم بود. این مسئله اثبات می کند که این روش برای بررسی این آفت کش ها در داخل این 5 ماده ی غذایی، مناسب است. Chapuis و همکارانش دو پلیمر بر پایه ی متیل اکریلات را پیشنهاد کردند که در دی کلرو متان سنتز شده بودند. از این پلیمرها به عنوان تمپلیت در استخراج ترایزین از مواد پیچیده، استفاده شده است. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از این MIP ها، موجب شده تا تمام ترایزین ها و تغییرات متابولیکی آنها حفظ گردد. یکی دیگر از تکنیک های گزینش استخراجی، بر پایه ی ترکیبی از استخراج حلالی با کمک غشاء ها و استخراج نشاندار مولکولی فاز جامد برای بررسی میزان عاف کش های ترایزین در نمونه های غذایی توسعه یافته است و برای ذرت و ... مورد استفاده قرار گرفته است. این ترکیب حساسیت قابل توجهی دارد و از این رو، قابلیت مناسبی برای استخراج نمونه های پیچیده دارد. بیشتر اجزای مورد آنالیز، از اتصال به ذرات MIP جلوگیری می کنند زیرا آنها در پشت سد غشائی قرار گرفته اند. این مسئله می تواند به عنوان یک راه چاره برای استخراج ترکیبات بسیار پیچیده، مورد استفاده قرار گیرد. Tang و همکارانش یک نوع MIP را با استفاده از پلیمریزاسیون رسوبی، تولید کردند. این سنتز با استفاده از TRIM (تری متیل اول پروپانول تریمتیل اکریلات) به عنوان عامل اتصال دهنده، دی کلرومتان به عنوان عامل پروژن و MAA به عنوان پلیمر عامل دار، انجام شد. آنها پلیمر را به عنوان عامل جاذب SPE برای نمونه های سویا مورد استفاده قرار داده اند و فهمیده اند که پلیمرهای نشاندار BSM نه تنها میل ترکیبی خوبی برای استفاده به عنوان تمپلیت دارند، بلکه همچنین این پلیمر توانایی به دام انداختن تری بنرون متیل، متیل سولفورن متیل و نیکوسولاورن را دارد. نتایج نشان داده است که این روش می تواند برای ارزیابی یک سری ازر سولفونیلور ها، در نمونه های غذایی خاص، مورد استفاده قرار گیرد. قبلا، یکی دیگر از MIP ها برای فنورون (علف کش فنیل اوره) و با استفاده از پلیمریزاسیون رسوبی، توسعه داده اند. در این MPI، MAA به عنوان پلیمر عامل دار و تولوئن به عنوان عامل پروژن می باشد. این ماده ی ساخته شده با استفاده از روش MISPE در نمونه های سیب زمینی، گندم و جو مورد استفاده قرار گرفته است و نتایج بدست آمده قابل توجه بوده است. نویسندگان به این نکته اشاره کرده اند که فرایند پلیمریزاسیون باید به گونه ای بهینه گردد که ذرات کروی در حین پلیمریزاسیون، ایجاد گردد. با شروع استفاده از نسل دوم آفت کش های سنتزی یعنی آفت کش های ارگانوفسفری، این مواد به عنوان یک جایگزین برای ترکیبات ارانوکلری مورد استفاده در کنترل آفت، مورد استفاده قرار گرفت. علت استفاده این بود که اگر چه این مواد سمی تر هستند، تمایل به انباشت آنها در زنجیره ی غذایی، کمتر است. دی متوآت، یک آفت کش ارگانو فسفری است که به طور گسترده برای کاهش آفت های سبزیجات، مورد استفاده قرار می گیرد. یک MIP غیر کوالانسی برای استخراج دی متوآت از برگ های چای، توسعه یافته است. در این MIP از دی متوآت به عنوان مولکول تمپلیت، متیل متااکریلات به عنوان مونومر و تتراهیدروفوران به عنوان پروژن استفاده می شود. فنیتروتیون(FEN) یکی دیگر از آفت کش های ارگانو فسفری است که به طورگسترده در صنعت کشاورزی مورد استفاده قرار می گیرد. این آفت کش برای مبارزه با آفت های جونده ی موجود برروی میوه، سبزی، برنج، گیاهان علوفه ای و غلات ذخیره سازی شده، مورد استفاده قرار می گیرد. این آفت کش و محصولات حاصل از تخریب آن، با استفاده از روش GC یا LC مورد آنالیز قرار گرفته اند( این فرایندها بعد از مرحله ی SPME یا LLE مورد استفاده قرار گرفته اند). اخیرا، یک MISPE توسعه یافته است و برای بررسی و اندازه گیری باقیمانده ی FEN در گوجه فرنگی، مورد استفاده قرار گرفته است. MIP مورد استفاده برای FEN با استفاده از فرایند پلیمریزاسیون بالک،تولید شده است. در این سنتز، از روش نشاندار کردن مولکولی غیر کوالانسی استفاده شده است. سنتز با استفاده از متیل اکریلیک اسید (MAA) به عنوان مونومر عامل دار، اتیلن گلیکول دی میتل اکریلات (EGDMA) به عنوان عامل اتصال دهنده ی عرضی و تولوئن به عنوان حلال پروژنی، انجام شده است. نویسندگان این مقاله اثبات کرده اند که MISPE یک ابزار مناسب برای ارزیابی باقیمانده های FEN در گوجه فرنگی می باشد. مزیت استفاده از این روش در بررسی باقیمانده ی FEN در گوجه فرنگی، عبارتست از هزینه ی اندک، قابل تولید مجدد و گزینش پذیری مناسب می باشد. سایر آفت کش های ارگانوفسفری به طور گسترده برای محافظت از محصول و فرآوری درختان، مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از پایدارترین این آفت کش ها، دی کلرووس ها هستند. این ترکیبات بسیار سمی هستند زیرا می توانند موجب تغییر پروتئینی شوند. این سموم موجب تغییرات در ترشح غدد می شود. بنابراین یک روش حساس و قابل اطمینان برای جداسازی آنها واندازه گیری این آفت کش در غذا، ضروری است. MISPE به همراه HPLC می تواند برای اندازه گیری مقادیر اندک از دی کلرووس ها در نمونه های بوته ای و کاهومانند، پیشنهاده شده است. با استفاده از تکنیک نشاندار کردن مولکولی در دمای اتاق، می توان از تمپلیت های مایع استفاده کرد و در نهایت پایدار، گزینش پذیری و ظرفیت جذب دی کلرووس ها را افزایش داد. د ر نظر آفت کش های مصنوعی پیروتئیدی، استفاده از روش MISPE می تواند هزینه تمیزکاری که هم اکنون برای آنالیز نمونه های ترکیبی مورد استفاده قرار می گیرد را، کاهش دهد. این در حالی است که استفاده از این روش، مصرف حلال را کاهش می دهد و گزینش پذیری را افزایش می دهد. استخراج آفت کش های پیروتوئیدی معمولا با استخراج ناگهانی مواد چربی دار،همراه است. از این رو این به نظر می رسد که روش MISPE روشی مناسب برای اندازه گیری این نوع آفت کش ها باشد. سه روش به طور موازی برای توسعه ی MIP ها برای پیروتئیدها،مورد استفاده قرار گرفته است. یکی روش MIP بر پایه ی اوره، یکی روش MIP برپایه ی اکریلات و MIP بر پایه ی دی وینیل بنزن می باشد. روش استفاده برای نشاندار کردن،روشی آب گریز بوده است. بهترین نتایج برای MIP بر پایه ی دی وینیل بنزن حاصل شده است. این روش از بین سه روش دیگر برای بررسی و اندازه گیری قارچ کش ها، مورد استفاده قرار می گیرد. حد ماکزیمم باقیمانده برای بنزیمیدازول ها بسیار اندک است و روش آنالیز دقیقی نیاز است تا بوسیله ی آنها بتوان میزان اندک از این مواد را تشخیص داد. ترکیبی از روش های نشاندار کردن مولکولی و الکتروکروماتوگرافی برای اولین بار و برای آنالیز این سموم استفاده شده است. استفاده از MIP ها نه به عنوان جاذب بلکه به عنوان فاز ثابت گزینش پذیر در الکتروکروماتوگرافی، پیشنهاد شده است. یک مونولیتیک نشاندار مولکولی به عنوان فاز ثابت برای الکتروکروماتوگرافی کاپیلاری، مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش، از TBZ به عنوان مولکول تمپلیت، MAA به عنوان مونومر، EDMA به عنوان عامل اتصال دهنده و AlBN به عنوان ممانعت کننده استفاده شده است. استفاده از MIP ها هم به عنوان جاذب برای استخراج فاز جامد و هم به عنوان فاز ثابت برای کروماتوگرافی، ممکن است موجب بهبود آنالیز باقیمانده ی آفات شود. این روش هنوز در مراحل اولیه است اما هم اکنون دارای کاربرد بالایی است.
نتیجه گیری
نشاندار کردن مولکولی می تواند به طور مناسبی برای آنالیز آفت کش ها مورد استفاده قرار گیرد. این روش می تواند برای آماده سازی مواد پلیمری با مکان های تشخیصی خاص مورد استفاده قرار گیرد. خواص خارق العاده ی MIP ها یعنی پایداری آنها، آماده سازی آنها را ساده و ارزان می کند و از این رو، این روش، روش مناسب برای استفاده در گستره ی وسیعی از کاربردهاست. در میان این روشها، کروماتوگرافی بااستفاده از عوامل نشاندار مولکولی MIP به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اخیرا استفاده از MIP به عنوان جاذب های گزینش پذیر برای استخراج فاز جامد(SPE) یک روش قابل اطمینان و ابداعی است. علت این موضوع این است که این مواد پلیمری اجازه ی استخراج مواد مورد آنالیز را از پیش ماده های پیچیده، به ما می دهد. این مواد دارای گزینش پذیری و حساسیت مناسب است. برخلاف سایر روش های مورد استفاده تاکنون، این روش د ارای آزادی های بالایی است و به انسان اجازه شناسایی و بررسی مواد متنوعی را می دهد.تلاش های انجام شده بوسیله ی گروه های تحقیقاتی مختلف،نشان داده است که استفاده از MIP ها دارای پتانسیل مناسبی برای استفاده شدن به عنوان یک ابزار مناسب برای توسعه ی روش های آنالیزی مختلف مانند کروماتوگرافی مایع، و استخراج فاز جامد برای جداسازی نمونه های خاص مورد آنالیز از مواد پیچیده ،می باشد. در سال های اخیر، یک تعداد زیاد از مقالات در زمینه ی نشاندار کردن مولکولی منتشر شده است. این انتظار می رود که این موضوع توجه قابل توجهی را در سال های بعد به خود اختصاص دهد و بتوان از آن برای اندازه گیری میزان آفت کش ها و مواد سمی در محصولات کشاورزی استفاده کرد.
تاریخ : جمعه 94/6/27 | 10:30 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
کاخ‌های ریاست جمهوری با معماری و ساختمان زیبای‌شان از جاذبه‌های توریستی محبوب در میان گردشگران هستند. این مقاله در مورد مقرهای بسیار زیبای ریاست جمهوری اطلاعاتی به شما ارائه می‌دهد. بعضی از اینها، کاخ‌های پادشاهی و بعضی مقر رؤسای جمهور و یا سران دولتی کشورها هستند.
در برخی کشورها کاخ ریاست جمهوری به عنوان مقر باشکوه و رسمی رئیس جمهور و یا سران کشور در نظر گرفته می‌شود اما در برخی دیگر از کشورها دفتر کار رسمی رئیس جمهور و یا سران کشور به عنوان کاخ ریاست جمهوری تلقی می‌شود. در برخی دیگر نیز هم مقر و اقامتگاه و هم دفتر کار به عنوان کاخ ریاست جمهوری است.
کاخ‌های ریاست جمهوری جاذبه‌های باشکوه یک شهر هستند چون زیبایی معماری خاص و منحصر به فرد و طرح‌هایی چون باروک (معماری قرن 18) و نئو کلاسیک (معماری قرن 17 و 18) در بین ساختمان‌های دیگر دارند. برخی از این کاخ‌ها اخیراً و برخی در زمان‌های قبل ساخته شده‌اند و پس از باز سازی و تغییر نما به ساختمان‌های امروزی و مدرن تبدیل شده‌اند.
$ کاخ‌های ریاست جمهوری بسیار زیبا در دنیا :
کاخ هافبورگ، اتریش
کاخ کورینال، رم
کاخ سفید، واشنگتن، آمریکا
کاخ ریاست جمهوری آک اوردا، آستانه، قزاقستان
رشتراپتی بهاوان، هندوستان
کاخ کرملین باشکوه، مسکو، روسیه
قلعه پراگ، جمهوری چک
ساختمان اداری رئیس جمهوری، تایپه، تایوان
ساختمان‌های اتحادیه، پرتوریا، آفریقای جنوبی
کاخ ریاست جمهوری، ویلنیوس، لیتوانی
کاخ مستقل سایگون، ویتنام
کاخ گراس سالکویچ، براتیسلاوا، اسلواکی
کاخ بوگور، اندونزی
کاخ لا مونِدا، جمهوری شیلی
کاخ مونتازا، مصر
کاخ سفید، بیشکک، قزاقستان
کاخ ریاست جمهوری، ورشو، لهستان
کاخ ریاست جمهوری، فنلاند
کاخ ریاست جمهوری، هانوی، ویتنام
کاخ مِردِکا، جاکارتا، اندونزی
کاخ بِلِوو، آلمان
کاسا روسادا، آرژانتین
کاخ ریاست جمهوری اوغوز خان، عشق آباد، ترکمنستان
کاخ ریاست جمهوری اوغوز خان مقر رسمی و دفتر کار رئیس جمهور است و در شهر عشق آباد پایتخت این کشور واقع شده است و در سال 2011 توسط شرکت ساختمانی فرانسوی بویگوئز در مرکز این پایتخت تاریخی بنا شد و به مدت طولانی قرارگاه رئیس جمهوری و اقامتگاه رئیس جمهور بوده است.نووی دِور، صربستان
نووی دور مقر رسمی رئیس جمهور کشور صربستان است و قبلاً به عنوان مقر سلطنتی سلسله کارادوردِویک صربستان و بعداً یوگسلاوی بود و در اوایل قرن 1900 ساخته شد و در اواسط قرن 1900 باز سازی شد و از آن زمان به بعد به عنوان دفتر کار رئیس جمهور مورد استفاده قرار گرفت.کاخ بِلِم، لیسبون، پرتغال
در طول تاریخ، کاخ ملی بلم به عنوان مقر سلطنتی پادشاهان و رؤسای جمهور کشور پرتغال بوده است و امروزه به عنوان اثر تاریخی ملی و مقر رسمی جمهوری پرتغال است و در بلم، شهر لیسبون واقع شده است. ساخت آن در حدود دهه‌ی 1720 شروع شد و در دهه‌ی 1750 به پایان رسید. هم چنین یک موزه درون ساختمان وجود دارد. درست در مقابل کاخ، یک باغ و یک تندیس از آفسونو دی آلبوکوئرکو، نایب السلطنه هندی که بر بالای یک پایه قرار دارد دیده می‌شود.کاخ پلانالتو، برزیل
کاخ پلانالتو اقامتگاه رسمی رئیس جمهور کشور برزیل است اما مقر رسمی رئیس جمهور نیست و در پایتخت این کشور یعنی شهر برازیلیا واقع شده است. ساختمان توسط مهندس معماری به نام "اسکار نیه مِیِر" طراحی شده است. ساخت آن در سال 1958 شروع شد و در سال 1960 افتتاح شد و به مدت طولانی دفتر کار رسمی رؤسای جمهور برزیلی بوده است.کاخ ماریینسکای
کاخ ماریینسکای اقامتگاه رسمی رئیس جمهور کشور اوکراین است و در شهر کیف واقع شده است. این کاخ باعظمت و شاهانه که ویژگی‌های معماری باروک را دارد، به عنوان مقر مهمانان خانواده‌ی امپراطوری است. این کاخ در حدود دهه‌ی 1750 به درخواست ملکه‌ی روسی "الیزابت پتروونا" ساخته شده است و توسط مهندس معمار روسی "بارتولومئو راست رِلی" طراحی شده است. بعدها در اوایل قرن 19 ام توسط آتش صدمه دید و در سال 1870 از روی نقاشی‌های قدیمی باز سازی شد. این کاخ در طول جنگ جهانی دوم دوباره صدمه دید و در دهه‌ی 1940 دوباره باز سازی شد.کاخ الیزه، جمهوری فرانسه
کاخ الیزه در شهر پاریس در کشور فرانسه واقع شده است و مقر رسمی رئیس جمهور جمهوری فرانسه است و از سال 1848 به عنوان مقر رسمی رؤسای جمهور فرانسه، استفاده می‌شده است. این کاخ امروزه به عنوان دفتر کار رئیس جمهور و محل ملاقات و شورای وزیران به کار می‌رود. در اوایل دهه 1700 احداث شده است. بعدها در دهه 1970 تعمیر شد. این کاخ به علت دکوراسیون و اثاثیه منحصر به فرد، باپرستیژترین کاخ در پاریس است.کاخ لوس لوپز، پاراگوئه
کاخ لوس لوپز به عنوان دفتر کار رسمی رئیس جمهور همانند مقر حکومتی کشور پاراگوئه است و در شهر آسونسیون واقع شده است. این کاخ به دستور کارلوس آنتونی لوپز برای فراهم کردن یک اقامتگاه برای پسرش بنا شده است و در دهه‌ی 1860 با نظارت مستقیم مهندس معمار انگلیسی "آلونسو تیلور" ساخته شده است.تاریخ : جمعه 94/6/27 | 10:28 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حمید وثیق زاده
منبع:راسخون
منبع:راسخون
اهمیت صنعت لاستیک از وقتی که به وجود آمد و نقشی که آن در رشد تمدن داشت خیلی زیاد است. دو نوع لاستیک وجود دارد؛ یکی طبیعی و دیگری مصنوعی. تولید لاستیک مصنوعی راحت‌تر از لاستیک طبیعی است و لاستیک مصنوعی گستره‌ی کاربردی بیشتری دارد. این مقاله یک مقایسه بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی برای شما انجام داده است.
آیا می‌دانید؟
در سال 1839 یک مخترع آمریکایی به نام چارلز گودیر، یک روشی را برای بهبود خواص لاستیک طبیعی ابداع کرد و آن را محکم‌تر و قابل استفاده‌تر کرد. او این فرآیند را ولکانیدن یا جوش اکسیژن لاستیک و فلزات نامید. این فرآیند در صنعت لاستیک انقلابی ایجاد کرد.لاستیک طبیعی یک الاستومر (پلیمر هیدروکربنی کشسان) است که از لاستیک خام درست شده است که یک کلویید شیری است که از بیشتر گیاهان به دست می‌آید. الاستومر یک ماده‌ای است که می‌تواند تغییر شکل کشسان بیشتری را از مواد دیگر، تحت تنش تحمل کند و بدون هیچ گونه تغییر شکلی به اندازه‌ی قبلی خود برگردد. منبع تجاری لاستیک طبیعی یک گیاه برزیلی بومی به نام هویا برازیلینسیس که به خانواده‌ی فرفیون‌ها تعلق دارد. برخی گیاهان دیگر که می‌توان از آنها لاستیک طبیعی به دست آورد عبارتند از: گوتا – پرکا، شکل لاستیک، درخت لاستیک پانامایی، قاصدک معمولی و قاصدک روسی. لاستیک طبیعی تا قرن بیستم مصرف تجاری داشت. لاستیک طبیعی به خاطر کاربردهای خیلی زیادش جایگاه مهمی در بازار اشغال کرده است. برخی از کاربردهای آن شامل ساختن تایر برای استفاده در ماشین‌های مسابقه، کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و هواپیماها است.
لاستیک‌های مصنوعی در گیاهان شیمیایی با پلیمریزاسیون مونومرها به پلیمرها به دست می‌آیند. آنها به طور مصنوعی تولید می‌شوند. برخی از مهم‌ترین لاستیک‌های مصنوعی عبارتند از: بوتادین، استرین – بوتادین، نئوپرین/ پلی کلروپرین، لاستیک‌های پلی سولفید، نیتریل، لاستیک بوتیل و سیلیکون. آنها کاربردهای متعدد و خواص شیمیایی و مکانیکی مختلفی دارند. لاستیک‌های مصنوعی زیادی در طول قرن بیستم گسترش یافته‌اند. برخی از آنها به خاطر خواص‌شان به جای لاستیک طبیعی استفاده می‌شوند. کاربردهای ویژه آنها شامل ترانسفورماتورهای برق، لباس‌های مرطوب، کناره‌های لپ تاپ، بست‌های ارتوپدی، عایق الکتریکی، تسمه فن خودرو، لاستیک خودرو، کف کفش، پاک کن مداد، بالن‌های تولد، چسب، دستکشهای محافظ، تسمه نقاله، اسباب بازی‌های انعطاف پذیر، لوله، تشک، طناب‌های لاستیکی، رنگ، شیلنگ، گسکت و کاشی‌های کف سطح است.
تفاوت بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی :
تولید :
• لاستیک‌های مصنوعی با پلیمریزاسیون مواد پترو شیمیایی مختلف که به نام مونومر شناخته می‌شوند، به دست می‌آیند. برخی نمونه‌ها عبارتند از: لاستیک استرین بوتادین (SBR) که از هم - پلیمریزاسیون استرین و بوتادین به دست می‌آید، لاستیک بوتیل (IIR) که یک لاستیک مصنوعی است که از هم - پلیمریزاسیون ایزوبوتیلن با ایزوپرن به دست می‌آید، لاستیک نیتریل (NBR) که یک لاستیک مصنوعی مقاوم به نفت است که از هم - پلیمریزاسیون آرکیلونیتریل و بوتادین به دست می‌آید و نئوپرن که با پلیمریزاسیون کلروپرن تولید می‌شود.• لاستیک طبیعی از لاستیک خام به دست می‌آید که بیشتر از شیره‌ی گیاه هویا برازیلینسیس کشیده می‌شود. یک بریدگی در پوست درخت ایجاد می‌شود و لاستیک خام در یک فنجان یا قابلمه جمع آوری می‌شود، سپس فیلتر شده، شسته می‌شود و می‌گذارند که با یک اسید واکنش دهد تا ذرات لاستیک منجمد شوند و جرم تشکیل دهند. سپس لاستیک در قالب‌هایی فشرده می‌شود و خشک می‌شود. پس از آن به مراحل بعدی تولید در صنعت می‌رود تا اصلاح شود.
خواص :
• لاستیک‌های مصنوعی بیشتر نسبت به نفت و روغن، مواد شیمیایی مشخص و اکسیژن مقاوم هستند، عمر و ویژگی‌های آب و هوایی بهتری دارند و انعطاف پذیری خوبی در یک گستره‌ی دمایی وسیع دارند.• لاستیک‌های طبیعی مقاومت به سایش خوب، الاستیسیته بالا، انعطاف پذیری بالا و استحکام کششی خوبی دارند. آن عملکرد دینامیکی خوب و سطح میرایی پایینی دارد. اما با گذشت زمان پیر می‌شود و مقاومت شیمیایی، روغنی و اوزونی ضعیفی پیدا می‌کند. با افزایش دما مقاومتش پایین می‌آید.
خواص پیری، انعطاف پذیری دما پایین و مقاومت به سایش :
• استرین بوتادین یکی از لاستیک‌های مصنوعی ارزان و با کاربرد عمومی است که استحکام فیزیکی ، انعطاف پذیری و خواص دما پایین کمتری دارد. اما خواص پیر شدن و مقاومت به سایش آن بهتر از لاستیک‌های طبیعی دیگر است. برخلاف لاستیک طبیعی این ماده با گذشت زمان به جای نرم شدن سخت می‌شود.• لاستیک‌های طبیعی استحکام فیزیکی، انعطاف پذیری و خواص دما پایین خوبی دارند اما مقاومت به سایش و خواص پیر شدن پایینی نسبت به استرین بوتادین دارند. خواص دما پایین آن در مقایسه با نیتریل پایینتر است.
مقاومت به نفت و روغن و انعطاف پذیری :
• نیتریل مقاومت به نفت و روغن، انعطاف پذیری دما پایین، مقاومت به سایش و انعطاف پذیری بهتری نسبت به لاستیک طبیعی دارد. آن هم چنین نفوذ پذیری گاز پایین‌تری دارد.• لاستیک طبیعی مقاومت به نفت و روغن و انعطاف پذیری پایین‌تری نسبت به نیتریل دارد. اما استحکام فیزیکی بهتری دارد.
مقاومت اوزونی، شیمیایی و الکتریکی :
• اتیلن پروپیلن دین مونومر (EPDM)، نئوپرین/پلی کلروپرین و برخی لاستیک‌های مصنوعی دیگر مقاومت گرمایی، مقاومت به نفت و روغن، اوزون و مقاومت آب و هوایی و مقاومت شارش قطبی عالی دارند و هم چنین پیر شدن و مقاومت شیمیایی بهتری دارند. علاوه بر این خواص فیزیکی و مقاومت دما پایین آنها نیز خوب است. آن هم چنین قابلیت اشتعال و نفوذ پذیری گاز پایینی دارد. EPDM می‌تواند به ترکیبات دیگر بپیوندد تا مقاومت الکتریکی عالی کسب کند.• لاستیک طبیعی مقاومت به اوزون، شارش قطبی و شیمیایی پایینی دارد. توسط روغن‌های هیدور کربنی متورم و ضعیف می‌شود و به هنگام پیر شدن توسط اکسیژن و اوزون ضعیف می‌شود.
خواص الکتریکی :
• لاستیک‌های اوزونی خواص الکتریکی عالی و مقاومت زیادی نسبت به آب و هوا و حمله‌ی اوزون دارند. خواص فیزیکی آنها در دماهای بالا حفظ می‌شود. آنها از لاستیک‌های دیگر گران قیمت‌تر هستند.• لاستیک‌های طبیعی خواص الکتریکی ضعیفی دارند و مقاومت پایینی نسبت به آب و هوا و حمله‌ی اوزون دارند. آنها خواص فیزیکی بهتری دارند.
لاستیک طبیعی به خاطر کاربردهایش جایگاه مهمی در بازار دارد. اما لاستیک مصنوعی در خیلی از موارد به جای لاستیک طبیعی استفاده می‌شود به ویژه زمانی که خواصی از موادی را که لازم است بهبود می‌بخشد.
تاریخ : جمعه 94/6/27 | 10:26 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: زهرا هدایت منش
منبع: راسخون
منبع: راسخون
مهندسی کاربرد علم و تکنولوژی به منظور برآوردن نیازهای انسان است. به سبب تنوع زیاد شاخه‌ها و کارکردهای مهندسی، ارائه تعریفی ساده و موجز از واژه‌ی «مهندس» (engineer) دشوار است. (در زبان فارسی این کلمه ماخوذ از «هندسه» و هندسه نیز معرب «اندازه» فارسی است). از لحاظ تاریخی این اصطلاح احتمالاً دو هزار سال قدمت دارد. در آن زمان، ابزاری جنگی به نام ingenium وجود داشت که نوعی «دژکوب» بود که لژیون‌های رومی آن را برای حمله به استحکامات به کار می‌بردند. طی قرون وسطی سربازانی که از چنین ابزارهایی استفاده می‌کردند به ingeniator معروف شدند. این واژه به‌تدریج تحول یافت و به صورت engineer درآمد. این اصطلاح به افرادی اطلاق می‌شد که با تکنولوژی جنگ، یعنی مهندسی «نظامی» سروکار داشتند. طی دو قرن گذشته کاربرد این اصطلاح توسعه یافت و فعالیت‌های غیر نظامی و مهندسی راه و ساختمان را نیز شامل شد. دو تعریف معتبر و اساسی توسط Accreditation Board of Engineering and Technology ارائه شده است:
- مهندسی مهارتی است که در آن علوم ریاضی و طبیعی کسب شده از طریق مطالعه و آزمایش، و تمرین همراه با قوه‌ی داوری به کار گرفته می‌شود تا راه‌هایی برای بهره برداری اقتصادی از منابع و نیروهای طبیعی، در جهت خیر و صلاح نوع بشر به دست آید.
-مهندسان، با استفاده از علوم ریاضی و فیزیک، مهندسی و قوانین و روش‌های تحلیل و طراحی مهندسی که از طریق آموزش و تجربه کسب می‌کنند، برای انجام کارهای مهندسی مهیا می‌شوند. اما، مفیدترین رهیافت، عبارت از این است که مهندس به منزله‌ی شخصی عمل کننده (فاعل) و مشکل گشا در نظر گرفته شود؛ شخصی که علوم و تکنولوژی را برای برآوردن نیازها و حل مشکلات جامعه به کار می‌برد. مهندس نوآور و آفریننده‌ی فراورده‌ها و فرایندهای جدیدی است که هدف آنها، حل مشکلات به شیوه‌ای عملی و اقتصادی است. مشکلات هر جامعه چنان بغرنج‌اند و ابزارهای تکنولوژی به اندازه‌ای پیشرفته و پیچیده‌اند که یک شخص به تنهایی نمی‌تواند بر همه‌ی آنها تسلط یابد. مهندسی فعالیتی گروهی است که در آن کوشش‌های افراد با دانش‌ها و استعداد‌های مختلف و متنوع تلفیق می‌شود. این گروه شامل: دانشمندانی است که در جستجوی قوانین اساسی طبیعت‌اند، مهندسانی است که علم را، از طریق طراحی نوآورانه به صورتی قابل استفاده در می‌آورند، تکنولوژیست‌های مهندسی و تکنسین‌هایی است که طرح‌های مهندسی را اجرا می‌کنند و بالاخره صنعت‌گران است که مهارت خودشان را در تولید و ساخت مواد و وسایل مورد نیاز طرح به کار می‌برند.
دانشمند
دانشمندان در یک سوی طیف فعالیت‌های فنی قرار دارند. تلاش آنها معطوف به تحقیقات بنیادی برای شناخت طبیعت، صرفاً به خاطر شناخت طبیعت است. دانشمندان بسیاری نیز در فعالیت‌های عملی تر مانند: طراحی و توسعه‌ی وسایل فنی تحقیق می‌کنند، اما آنها اصولاً به دانش علمی علاقه مندند و به کاربرد نهایی آن توجه ندارند. این چنین تحقیقاتی نیاز به داشتن زمینه‌ی کامل در مفاهیم ریاضی و همچنین آموزش‌های پیشرفته در سطح دکترا (Ph.D) است.مهندس
قوانین اساسی علمی مورد توجه مهندسان نیز هست. اما، برخلاف دانشمندان، تلاش مهندسان بیشتر در جهت کاربرد قوانین است تا کشف آنها شاید بیشترین فعالیت متمایز کننده‌ی یک مهندس، طراحی باشد که عبارت است از کاربرد دانش علمی به منظور ترکیب و ساخت یک وسیله با فرایند برای پاسخگویی به نیازی خاص، مهندس مشهور تئودور فون کارمن می‌گوید: «دانشمند آنچه را که هست کشف می‌کند و مهندس آنچه را که نبوده می‌آفریند». مانند دانشمندان، مهندسان نیز باید با علوم مقدماتی و ریاضی آشنایی کامل داشته باشند. اما آنان به آموختن علوم مهندسی مانند: مکانیک سیالات و سازه‌ها، ترمودینامیک و الکتریسیته نیز نیازمندند. تحصیلات آنان شامل موضوع‌هایی از قبیل علوم انسانی، علوم اجتماعی و هنر (فن) ارتباط با دیگران است که آنها را در حل مسائل پیچیده‌ی جامعه‌ی مدرن یاری می‌دهد. امروزه راه قابل قبول برای ورود به حرفه مهندسی، گذراندن دوره چهار ساله‌ی کارشناسی (لیسانس علوم، BS) در رشته‌های مهندسی و یا درجه‌ی لیسانس مهندسی (B.Eng) است. بعضی از کارهای خاص مهندسی به تحصیلات بالاتری از قبیل کارشناسی ارشد (فوق لیسانس علوم .MS) و یا دکترای مهندسی (Ph.D) نیاز دارند.تکنولوژیست مهندسی
تکامل ایده‌های دانشمندان و مهندسان و تبدیل آنها به نتایج قابل لمس، وجود اعضای دیگری را در تیم مهندسی می‌طلبد که به عنوان تکنولوژیست‌های مهندسی و تکنسین‌ها شناخته می‌شوند. تکنولوژیست مهندسی با کاربرد دانش و روش‌های علمی و مهندسی بیشتر سروکار دارد تا با چگونگی پیدایش یا تکامل این اصول. به عبارت دقیقتر تکنولوژیست‌های مهندسی با بخشی از تکنولوژی سروکار دارند که کاربرد دانش و روش‌های علمی و مهندسی را، همراه با مهارت فنی برای انجام فعالیت‌های مهندسی، می‌طلبد. تکنولوژیست‌های مهندسی، نقشی بین مهندسان و صنعت‌گران دارند. آنها در سازمان دهی و مدیریت پروژه‌ها و طرح‌ها، ساخت و بهره برداری شرکت می‌کنند. گاهی، طراحی‌های کوچک و محدود را نیز انجام می‌دهند. بنابراین آموزش آنها شامل دوره‌ی چهار ساله‌ی کارشناسی با تأکید بیشتر بر علوم ریاضی و آموزش‌های تخصصی فنی در کاربردهای مهندسی است که از بعضی جهات شبیه درس‌های مهندسی است. این درجه به عنوان لیسانس علوم در تکنولوژی مهندسی (B.S.E.T.degree) نامیده می‌شود.تکنسین مهندسی
بسیاری از فعالیت‌های مهندسی به مهارت‌های تحلیلی و مفهومی کمتر، و در عوض دانش تخصصی تر و مهارت بیشتر در کاربردهای خاص نیاز دارند. دوره‌ی آموزشی برای چنین کارهایی، دو سال است که بیشتر بر فنون عملی تأکید دارد. فارغ التحصیلان چنین دوره‌هایی به عنوان تکنسین مهندسی شناخته می‌شوند. با توجه به اینکه کار آنها یکنواخت تر از مهندسان یا تکنولوژیست‌های مهندسی است، ولی از مهارت حرفه‌ای بالایی برخوردارند، آنها مسئول ساخت نمونه و مدل و وسیله‌ی طراحی شده‌اند. دیگر فعالیت‌های آنها ممکن است: تهیه‌ی نقشه، سوار کردن مدارهای الکترونیکی، تخمین هزینه‌ها و همچنین تعمیر و نگهداری باشد. آنها حلقه‌ای اساسی از زنجیر اتصال بین اندیشه‌ای بر کاغذ و تحقق عملی آن هستند.صنعتگر
صنعتگر، مهارت انجام کارهای دستی مورد نیاز برای ساخت قطعات تعیین شده توسط مهندسان را در اختیار دارد. در نتیجه، آنها نیاز ندارند قوانین علمی و اساسی طرح را بدانند. آموزش آنها معمولاً در حین کار است (مثلاً دوره‌های کار آموزی). جوشکارها، ماشینکارها، برقکارها، نجارها، و مدل سازها نمونه‌هایی از صنعتگران‌اند. به طور کلی هر کدام از اعضای تیم مهندسی، که اصولاً به خاطر خود علم به آن علاقه مندند و آن را به سبب ارضای حس کنجکاوی خود و بدون توجه به کاربردهایش دنبال می‌کنند، با انتخاب حرفه‌های علمی راضیتر خواهند شد. افرادی که گرایش زیادی به علوم و ریاضی دارند اما علاقه‌ی اولیه‌ای نیز در حل کردن مشکلات و کاربردهای عملی در خود می‌بینند برای مهندسی، و اشخاصی که سروکار داشتن با وسایل فنی و فرایندهای عملی را بر مفاهیم نظری ترجیح می‌دهند برای کار تکنولوژیست مهندسی، و آنان که ذهنشان به مباحث نظری کمتر گرایش دارد و ترجیح می‌دهند در کارهای فنی مستقیماً شرکت کنند برای حرفه‌ی تکنسینی و آنان که به کسب مهارت بالایی در استفاده از ابزارها و ماشین‌ها علاقه دارند برای شغل صنعتگری مناسب‌اند. تعریف‌هایی که از این مشاغل شد، انعطاف پذیرند. یعنی افراد تیم مهندسی می‌توانند تا حدودی در محدوده‌ی کار یکدیگر دخالت کنند. مثلاً بسیاری از مهندسان سرگرم تحقیقات پایه‌اند، و ممکن است مهندسان تکنولوژیست و تکنسین‌ها در فعالیت‌های طراحی شرکت کنند. اما این طبقه بندی در شناسایی نیازهای آموزشی مختلف برای هر شغل در زمینه‌های مهندسی سودمند است.تاریخ : جمعه 94/6/27 | 10:26 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
چکیده
زوایای عدم ترشوندگی بزرگ در هنگام تماس آب با سطوح(WCAs) و لغزش آسان قطرات بر روی سطوحی اتفاق می افتد که به آنها ابر آبگریز (superhydrophobic یا ultrahydrophobic) می گویند. این سطوح در سال های اخیر توجه زیادی را به خود اختصاص داده است. در سال های اخیر، مقالات جدیدی در این زمینه انتشار یافته است. در این مقالات، روش های آماده سازی یک چنین سطوحی آورده شده است. در این مقالات همچنین در مورد کاربردهای مختلف این سطوح در تولید سطوح خود تمیز شونده و همچنین مدل های دقیق در زمینه‌ی مطالعه‌ی سطوح الگودار نیز ارائه شده است. این مدل ها در پی یافتن رابطه میان مورفولوژی سطوح، قابلیت ترشوندگی و لغزش قطرات بر روی آن هستند. این مقاله‌ی مروری کارهای اخیر در این زمینه بیان شده است و در مورد توسعه های آینده در این زمینه نیز صحبت می کند. تمرکز این مقاله‌ی مروری بر روی روش های متنوعی است که برای تولید این سطوح مورد استفاده قرار می گیرد.مقدمه
بسیاری از سطوح در طبیعت، دارای خواص آب گریز بالا و خود تمیز شوندگی هستند. مثال هایی از این سطوح عبارتند از بال های پروانه و برگ های گیاهانی همچون کلم و شاهی هندی. برخی از گیاهان خود رو مانند سرو کوهی که در نیوزیلند می روید و بسیاری از گیاهان دیگر دارای برگ هایی با سطوح واکسی هستند که این برگ ها نسبت به ترشوندگی در برابر آب ، مقاوم هستند. ابر ترکننده ها ی (superwetters) تری سیلوکسانی برای قابلیت قابل توجه آنها در تر کردن سطوح مقاوم در برابر ترشوندگی و افزایش خاصیت علف کشی، معروف هستند. بهترین مثال از سطوح خود ترشونده‌ی آب گریز برگ های درخت کنار است. بررسی ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی از سطح برگ های کنار، نشان می دهد که برآمدگی هایی با اندازه‌ی حدود 20 تا 40 میکرون که با کریستال های واکسی شکل پوشیده شده است. مطالعات گسترده نشان می دهد که این ترکیب در مقیاس میکرومتری و زبری در مقیاس نانومتری به همراه مواد با انرژی سطحی اندک، منجر می شود تا WCAS نسبی بزرگتر از 150 درجه، زاویه‌ی لغزش کوچک و خاصیت خود تمیز شوندگی، حاصل شود. سطوح با این خاصیت ابر آب گریز نامیده می شوند. به هر حال، برخی از مثال های طبیعی و بسیاری از مطالعات دیگر، از خود دومقیاس طولی نشان نمی دهند.از زمانی که برای اولین بار Kao در میانه‌ی دهه‌ی 1990، سطوح مصنوعی ابر آب گریز را مورد بررسی قرار دادند، یک تعداد فراوان از روش های جالب برای تولید سطوح ناصافی ابداع شده است که دارای خاصیت ابر تر شوندگی هستند. علاوه بر خاصیت دفع آب، سایر خواص ماده مانند شفافیت و رنگ، آن ایزوتروپی، بازگشت پذیری، انعطاف پذیری و خاصیت تنفس، نیز در خاصیت ابر آب گریزی، شرکت دارند. هدف این مقاله، ارائه‌ی اطلاعات مفید در زمینه‌ی مطالعات انجام شده در زمینه‌ی سطوح ابر آب گریز است. دراین مقاله بیشتر بر روی مقالاتی تمرکز داریم که در سال های اخیر منتشر شده است. مقالات مروری مفیدی نیز در این زمینه بوسیله‌ی Nakajima و همکارانش ، Sun و همکارانش انتشار یافته است. Quere و همکارانش در مورد شیمی سطوح غیر چسبنده صحبت کرده اند.
قبل از اینکه ما به جزئیات بپردازیم، این ارزشمند است که دوباره به مثال در مورد گیاه کنار بر گردیم. در این ساختارها، کریستال های واکسی شکل، عمدتا از گروه های –CH2- تشکیل شده اند. طبیعت نیاز به استفاده از گروه های –CH3 گروه های فلئوروکربنی برای ایجاد این خاصیت نیست. این مثال به طور واضح نشان می دهد که انرژی سطحی بسیار پایین برای حصول خاصیت عدم ترشوندگی، ضروری نیست. به جای آن، قابلیت کنترل مورفولوژی یک سطح در حد میکرومتری و نانومتری یک عنصر کلیدی است. با ترکیب ویژگی های ترشوندگی و انرژی سطحی، قابلیت های مناسبی برای مهندسی سطوح، برای ما باز می شود.
کنترل ترشوندگی سطوح یک مسئله‌ی مهم است که در بسیار از تکنولوژی ها مهم می باشد. علاقه ها در زمینه‌ی تولید سطوح خود تمیز شونده موجب می شود تا عامل محرکه ای در زمینه‌ی مطالعه بر روی روش های ساخت یک چنین سطوحی بیشتر شود. این سطوح در بسیاری از کاربردها مانند دیش های ماهواره، صفحات انرژی خورشیدی، بخش های فوتوولتایی، شیشه های مورد استفاده در ساختمان سازی و خانه های سبز می باشد. این حقیقت که مایعات در تماس با این سطوح، با کمترین اصطکاک حرکت کنند، موجب پدید آمدن کاربردهایی مانند میکرو مایعات، لوله ها و بدنه های با اصطکاک کم شده است. بیشتر این کاربردها در سطوح جامد ایجاد می شود اما این تکنولوژی در زمینه‌ی تولید پارچه های آب گریز نیز وارد شده است. استفاده از بخش های با قابلیت عدم تر شوندگی در کاربردهای بیولوژیکی نیز وارد شده است. این مواد در رگ های مصنوعی خون و کاربردهای دیگر، نیز مورد استفاده قرار می گیرند. ما فرض کرده ایم که با گسترش این تکنولوژی، کاربردهای دیگری برای سطوح با قابلیت عدم ترشوندگی نیز ایجاد شود.
روش های تولید سطوح ابر آب گریز می تواتد به طور ساده به دو گروه طبقه بندی شود: ایجاد سطوح زبر از یک ماده‌ی با انرژی سطحی پایین و اصلاح سطح زبر با استفاده از یک ماده‌ی با انرژی سطحی پایین می باشد.
زبر کردن یک ماده‌ی با انرژی سطحی پایین
فلئوروکربن ها
پلیمرهای فلئوردار در این زمینه مورد توجه هستند که این خاصیت به دلیل انرژی های سطحی بسیار پایین در این سطوح حاصل می شود. زبر کردن سطحی این پلیمرها با روش های خاص، به طور مستقیم، منجر به ایجاد خاصیت ابر آب گریزی می شود. برای مثال، Zhang و همکارانش، یک راه ساده و مؤثر برای تولید فیلم های ابر آب گریز با استفاده از ایجاد خراش بر روی تفلون، گزارش داده اند. فیلم های اصلاح شده دارای کریستال های فیبری شکل با فضاهای حفره ای بزرگ در سطح است. این تصور وجود دارد که این حفرات مسئول ایجاد خاصیت ابر آب گریزی است. Shiu و همکارانش فیلم های تفلون را با استفاده از پلاسمای اکسیژن عمل آوری کرده اند و توانسته اند سطوح زبری با WCA بزرگتر از 168 درجه بدست آورند. به دلیل حلالیت محدود، بسیاری از مواد فلئوردار به صورت مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد اما امکان ایجاد اتصال های سطحی و همچنین استفاده از مواد مرکب نیز در این کاربردها وجود دارد. Yabu و Shimomura یک غشاء متخلخل ابر آب گریز را با استفاده از ریخته گری محلول پلیمرهای بلوک فلئوردار (تحت محیط مرطوب)، تولید کردند (شکل 1a). این غشاء ها همچنین دارای تخلخل های بسیار کوچکی هستند. Xu و همکارانش [17] یک پرفلئورواکتانو سولفونات (PFOS) تولید کرده اند که با استفاده از پلی پیرول (Ppy) رسانا، دوپ شده است. این فیلم ها با استفاده از الکتروپلیمریزاسیون و پلیمریزاسیون شیمیایی تولید شده اند (شکل 1b). بطور قابل توجه، یک تبدیل بازگشت پذیر میان ابر آب گریزی و آب دوستی با تغییر در ولتاژ الکتروشیمیایی اعمال شده، حاصل می شود.
سیلیکون ها
یکی دیگر از مواد شناخته شده که دارای انرژی سطحی پایینی هستند، پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) است. به دلیل خاصیت تغییر شکل ذاتی و خاصیت آب گریزی، PDMS می تواند به سهولت سطوح ابر آب گریزی ایجاد کند. برای مثال Khorasani و همکارانش PDMS را با استفاده از لیزر پالسی دی اکسید کربن، تحت عمل آوری قرار داده است. WCA این PDMS ها به 175 درجه می رسد که این اعتقاد وجود دارد که این خاصیت هم به دلیل وجود تخلخل و هم نظم زنجیره های سطح PDMS ایجاد می شود (شکل 2a). به طور مشابه، Jin و همکارانش از روش اچ لیزری برای تولید سطوح زبر از جنس PDMS استفاده کرده اند که این سطوح دارای ساختارهای میکرو و نانوکامپوزیتی است. یک چنین سطحی دارای یک خاصیت آب گریزی است که WCA آنها بالاتر از 160 درجه است و زاویه‌ی لغزش نیز کوچکتر از 5 درجه است. Sun و همکارانش اخیراً یک روش نانوریخته گریگزارش کرده اند که بوسیله‌ی آنها سطح PDMS ابر آب گریز، تولید می شود. آنها ابتدا یک تمپلیت منفی را با استفاده از برگ کنار، تولید کردند و بعد از آن از این تمپلیت برای تولید PDMS استفاده کردند (شکل 2b). این سطوح دارای خواصی مشابه با خواص برگ کنار دارند.
یک راه دیگر برای ایجاد انرژی سطحی پایین در PDMS، استفاده از پلیمرهای بلوک مانند پلی استیرن- بی متیل سیلوکسان (PS-PDMS) است. برای مثال، Me و همکارانش یک غشاء ابر آب گریز را در داخل بافته های الیافی تولید کردند. آنها این ساختارها را با استفاده از الکتروریسندگی یک کوپلیمر بلوک از جنس PS-PDMS تولید کردند (شکل 2c). ابر آب گریزی این فیلم ها در حد 163 درجه است که به دلیل ترکیب کردن اجزای PDMS بر روی سطح الیاف و زبری سطحی (ایجاد شده بوسیله‌ی الیاف با قطر کوچک (150 تا 400 نانومتر))، ایجاد شده است. انعطاف پذیری، قابلیت تنفس و خود ایستایی این غشاء ها از جمله زمینه های مورد توجه در کاربردهای الیاف و بیوپزشکی است. اخیرا، Zhao و همکارانش یک سطح ابر آب گریز را با ریخته گری محلول های میسلی PS-PDMS در هوای مرطوب، تولید کرده اند (شکل 2d).
مواد آلی
اگرچه فلئوروکربن ها و سیلیکون ها، به عنوان موادی آب گریز شناخته می شوند، طبیعت با استفاده از هیدروکربن های پارافینی به خاصیت عدم تر شوندگی و خود تمیز شوندگی رسیده است. اخیرا، چندین گروه نشان داده اند که سطوح ابر آب گریز می تواند با استفاده از مواد آلی تولید شوند. Lu و همکارانش پیشنهاد داده اند که یک راه ساده و ارزان قیمت برای تولید سطوح ابر آب گریز با تخلخل های بالا، با استفاده از کنترل رفتار کریستالیزاسیون پلی اتیلن (PE) قابل حصول است. WCA حاصله در این مواد تا 173 درجه نیز گزارش شده است که این میزان از WCA با افزودن سیکلوهگزان به محلول های پلی اتلن/ زایلن و تشکل ساختارهای کریستالی شبه کرکی و نانوساختار، قابل حصول است (شکل 3a). Jiang و همکارانش نشان دادند که ریسندگی الکترواستاتیک و اسپری کردن یک محلول PS در دی متیل فرمالدهید (DMF) می توان یک فیلم ابر آب گریز تولید کرد که از بخش های میکرویی و نانو الیاف متخلخل تشکیل شده است (شکل 3b). Lee و همکارانش نانوالیاف PS موازی شده ای را با استفاده از تمپلیت های متخلخل آلومینیومی تولد کرده اند. به دلیل اینکه نسبت طول به قطر نانوالیاف PS افزایش می یابد، این نانوالیاف نمی تواند به صورت قائم قرار گیرند اما دسته هایی را در سه بعد تشکیل می دهند که دارای سطوحی زبر هستند (شکل 3c).
مواد آلی
مواد آلی مختلفی در تولید سطوح ابر آب گریز مورد استفاده قرار گرفته اند. برای مثال، سطوح ابر آب گریز از ZnO و TiO2 نیز ساخته شده است. شکل 4a یک تصویر SEM از نانومیله های ZnO را نشان می دهد. Feng و همکارانش این مواد را از طریق روش دو مرحله‌ی محلول، ساخته اند. فیلم های نانومیله ای از جنس ZnO ابر آب گریز هستند. که این خاصیت به دلیل زبری سطحی و انرژی سطحی پایین صفحات (001) نانومیله های موجود در سطح فیلم، ایجاد شده است. این مسئله در الگوی تفرق اشعه‌ی X شکل 4a مشاهده می شود. این مسئله قابل توجه است که ابر آب گریزی با تابش اشعه‌ی UV به ابر آب دوستی تبدیل می شود که این مسئله به دلیل ایجاد جفت الکترون –حفره و در نتیجه جذب گروه های هیدروکسیل بر روی سطح ZnO حاصل می شود. ذخیره سازی فیلم های تحت تابش قرارگرفته در یک بخش تاریک به مدت 7 روز موجب بازگشت خاصیت ابر آب گریزی می شود. به طور مشابه، آنها همچنین فیلم های نانومیله ای از جنس دی اکسید تیتانیوم تولید کرده اند که دارای همین خاصیت برگشت پذیری است (شکل 4b).
روش های ایجاد سطوح ابر آب گریز با استفاده از زبر کردن مواد با انرژی سطحی پایین، فرایندهایی یک مرحله ای است و بسیار ساده است اما آنها همواره به گروهی محدود از مواد محدود می شوند. ایجاد سطوح ابر آب گریز با استفاده از یک استراتژی کاملا متفاوت، یعنی ایجاد یک زیرلایه‌ی زبر و سپس اصلاح آن با استفاده از مواد با انرژی سطحی پایین، می تواند قابلیت تر شوندگی سطحی ماده‌ی بالک را با خواص بالقوه‌ی مواد با انرژی سطحی پایین، ترکیب کند و سطوح ابر آب گریز مناسب تولید کند.
راه های بسیاری وجود دارد که بوسیله‌ی آنها می توان در سطحی زبری ایجاد کرد. این روش ها عبارتند از ایجاد زبری مکانیکی، اچ شیمیایی/ لیزری، لیتوگرافی، فرایندهای سل ژل ، ریخته گری از حالت محلول و مونتاژکاری لایه به لایه و مونتاژکاری کلوئیدی، واکنش الکتریکی/ شیمیایی و رسوب دهی، ریسندگی الکتریکی و روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می باشد. همچنین برخی روش ها وجود دارد که به صورت تجاری برای اصلاح شیمی سطح مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، پیوندهای کوالانسی می تواند بین طلا و آلکیل تیول ها ایجاد شود. سیلان ها اغلب برای کاهش انرژی سطحی مورد استفاده قرار می گیرند. اتصال فیزیکی، جذب سطحی و پوشش دهی می تواند همچنین شیمی سطح را دگرگون سازد. در این بخش، ما بر روی تکنیک های مهمی تمرکز می کنیم که در طی 2 سال گذشته برای ایجاد زبری بر روی سطح مورد استفاده قرار گرفته اند. اگرچه بسیاری از این مطالعات به سمت ایجاد سطوح تجربی جهت دهی شده اند، برخی از مدل های مهم نیز در اینجا مورد بررسی قرار گرفته است.
اچ و لیتوگرافی
اچ کردن یک فرایند مؤثر و قوی برای ایجاد زبری سطحی است. روش های اچ کردن مختلف عبارتند از روش اچ کردن پلاسمایی، اچ کردن لیزری و اچ کردن شیمیایی می باشد. که همه‌ی آنها در سال گذشته، برای تولید سطوح ابر آب گریز مورد استفاده قرار گرفته است. برای مثال، Teshima و همکارانش یک سطح ابر آب گریز را با استفاده از روش اچ پلاسمایی اکسیژن گزین برروی پلی اتیلن ترفتالات، ایجاد کردند. این فرایند با یک فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (با کمک پلاسما) دنبال شده است که در آن از پیش ماده‌ی تترامتیل سیلان (TMS) استفاده شده است (شکل 5a). Qian و Shen ، یک روش ایجاد زبری سطحی ساده را با استفاده از اچ کردن شیمیایی انتخابی- نقصی ارائه کردند که بر روی فلزات پلی کریستال مانند آلومینویم (شکل 5b) قابل اجراست. بعد از عمل آوری با فلئوروآلکیلی سیالان، سطح فلزی اچ شده دارای خاصیت ابر آب گریزی است.
فرایند سل ژل
فرایندهای سل ژل برای تولید سطوح ابر آب گریز از مواد مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. در بیشتر این بررسی ها، هیچ فرایندد بعد از آب گریز سازی، برای حصول ابر آب گریزی مورد استفاده قرار نگرفته است زیرا از مواد با انرژی سطحی پایین در فرایند سل ژل استفاده شده است. برای مثال، Shirtcliffe و همکارانش فوم های متخلخلی را با استفاده از فرایند سل ژل و با استفاده از ارگانو تری اتوکسی سیالان تولید کردند که دارای خاصیت سوئیج بین خاصیت ابر آب گریزی و ابر آب دوستی است. این سوئیچ در دماهای مختلف انجام می شود. (شکل 6a). Hikita و همکارانش از ذرات سیلیس کلوئیدی و فلئوروآلکیل سیالان به عنوان مواد اولیه در فرایند سل ژل استفاده کردند و از این روش برای تولید خاصیت ابر آب گریزی استفاده کردند (شکل6b). به جای مخلوط کردن مواد با انرژی سطحی پایین در سل، Shang و همکارانش یک روش برای ایجاد سطح ابر آبگریز با استفاده از اصلاح فیلم های سل- ژلی با افزودن سیالان فلوئوردار، ابداع کرد. با یک روش مشابه، Wu و همکارانش ، یک سطح میکروساختاری بر پایه‌ی ZnO تولید کردند که این سطح با استفاده از روش شیمی تر تولید و با استفاده از پوشش دهی سطح با استفاده از اسیدهای آلکانوییک با زنجیره های طولانی، خاصیت ابر آب گریزی ایجاد گردید.
مونتاژ لایه به لایه (LBL) و مونتاژ شیمیایی
مونتاژ خود به خودی لایه به لایه یک فرایند قوی برای تولید پوشش های لایه نازک دارای خواص کنترل شده در سطح مولکولی است. این روش ها از برهمکنش های الکترواستاتیک و پیوند هیدروژنی بهره می برند. اخیرا، فرایند LBL بوسیله‌ی برخی از گروه ها ی تحقیقاتی مورد استفاده قرار گرفته و بوسیله‌ی آن، سطوح زبر برای استفاده در کاربردهای ابر آب گریزی، تولید شده است. برای مثال، Zhai و همکارانش از تکنیک LBL برای ایجاد یک مولتی لایه از جنس پلی آلیل آمین هیدروکلراید/ پلی اکریلیک اسید (PAH/PAA) استفاده کرده اند. این مولتی لایه بعد از اعمال یک فرایند عمل آوری با اسید، یک ساختار خانه زنبوری ایجاد می کند. بعد ازایجادپیوند عرضی در ساختار، آنها نانوذرات سیلیس را بر روی سطح ( از طریق فروبردن زیرلایه در داخل سوسپانسون های تولید شده از نانوذرات و یک محلول PAH) رسوب دهی کردند. شکل 7A تصویر SEM از ساختارهای لانه زنبوری حاصله را نشان می دهد. خاصیت ابر آب گریزی بعد از اینکه سطح با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار ، اصلاح شد، بدست آمد. این فرانید رسوب دهی با پیش ماده های تری دیکا فلئورو تترا هیدرو اکتیل تری کلروسیالان، انجام شده است و بعد از آن یک عملیات حرارتی به مدت 2 ساعت بر روی نمونه ها انجام شده است. مونتاژکاری خود به خودی LBL همچنین می تواند با روش رسوب دهی الکتروشیمیایی ترکیب شود و برای تولید سطوح ابر آب گریز مورد استفاده قرار گیرد. این کاربوسیله‌ی Zhang و همکارانش درطی 2 سال گذشته انجام شده است.مونتاژکاری از سیستم های کلوئیدی نیز برای ایجاد زبریسطحی مناسب برای ایجاد ابر آب گریزی، مورد استفاده قرار گرفته است. Ming و همکارانش یک سطح زبر شده را که دارای ذرات تمشک مانند بودند، تولید کردند که این ساختار از طریق ایجاد اتصال بین ذرات سیلیس دارای گروه آمینی و اندازه‌ی 70 نانومتر با ذرات سیلیس دارای گروه عامل دار اپوکسی با اندازه‌ی 700 نانومتر (از طریق واکنش میان گروه های عاملی ذکر شده) ایجاد شده اند (شکل 7b). این سطوح بعد از اصلاح با PDMS، ابر آب گریز شدند.
واکنش الکتروشیمیایی و رسوب دهی
واکنش الکتروشیمیایی و رسوب دهی به طور گسترده برای آماده سازی سطوح ابر آب گریز، مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، Zhang و همکارانش نشان داده اند که سطح پوشیده شده با خوشه های طلای دندریتی که با استفاده از روش رسوب دهی الکتروشیمیایی، تولید می شوند، بعد از رسوب دهی با مونولایه‌ی n دودکان اتیول، دارای خاصت ابر آب گریزی است (شکل 8a یک ساختار نمونه وار از این خوشه ها را نشان می دهد). Shirtcliffe و همکارانش یک سطح مسی را دو بار زبر کرده اند و با استفاده از روش الکترورسوب دهی و تکنیک الگوسازی، آن را با بخش های شکلاتی شکل، پوشاندند. عملیات ابر آب گریزی که با استفاده از فلئوروگربن ها انجام شده است، منجر به ایجاد WCA در حدود 160 درجه در این مواد می شود(شکل 8b). Cho و همکارانش اخیراً تولید سطوح فلزی مشابه برگ کنار را با استفاده از واکنش الکتروشیمیایی آلیاژ Cu یا Cu-Sn بر روی صفحات فولادی (با گاز گوگرد) و عملیات متعاقب پرفلئوروسیلان (شکل 8c) را گزارش داده اند. این بد نیست بدانید، رسوب دهی حمام شیمیایی(CBD) نیز برای تولید سطوح نانوساختار، مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، Hosono و همکارانش ازاین روش برای تولید فیلم های با برامدگی های نانویی از جنس هیدروکسید کبالت(BCH) استفاده کردند و WCA در حدود 178 درجه بدست آورند( این WCA بعد از اصلاح این سطح با استفاده از اسید لوریک (LA) (شکل 8d) بدست آمده است).
سایر روش ها
الکتروریسندگی یک روش قدرتمند برای ایجاد الیاف بسیار ریز است و بوسیله‌ی تعدادی از گروه های تحقیقاتی برای ایجاد زبری و حصول ابرآب گریزی، مورد استفاده قرار گرفته است. الکتروریسندگی یک ماده‌ی آب گریز، منجر به تشکیل الیاف ابر آب گریز در یک مرحله، می شود. Ma و همکارانش نشان دادند که حتی خاصیت ابرآب گریزی تا 175درجه نیز با این روش قابل حصول است. در این فرایند، یک لایه‌ی نازک از جنس پلیمر فلئوردار، بر روی بافته‌ی حاصله از الیاف الکتروریسندگی شده، ایجاد می شود. با مطالعه‌ی در مقاله ها می توان اطلاعات مفیدی در مورد اثر مورفولوژی الیاف بر روی خاصیت ابر آب گریزی، بدست آورد(شکل 9a).
نتیجه گیری و دورنما
این زمینه، یک زمینه‌ی فعال با کاربردهای بسیار است که هر ماهه با روشی جدید برای ایجاد سطوح ابر آب گریز، و بررسی های تئوری در زمینه‌ی روابط میان مورفولوژی سطحی و ترشوندگی / لغزش، روبروست. بررس های تئوری با استفاده از مدل های بوجود آمده به کمال می رسند.. این مدل ها با اشکال پیچیده‌ی مورفولوژی سطح روبرو هستند. روش های سل ژل در تولید سطوح جامد باخاصیت عدم ترشوندگی، به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته اند. سایر سطوح مانند اشکال غشائی انعطاف پذیر توجه بیشتری را به خود اختصاص داده اند. تولید یک چنین سطوحی در داخل وسایل میکروفلوید ی، به احتمال زیاد زمان کوتاه تری را به خود اختصاص می دهد. مطالعاتی که بر روی سایر جنبه ها مانند کاهش میزان کشش، کار می کنند، نیز در حال ظهور هستند.بسیاری از مطالعات در این زمینه تنها نتایج ظاهری برای ترشوندگی است و لغزش معمولاً زاویه‌ی تماسی است که بدون توجه به پسماند زوایه ای گزارش شده است. جزئیات روش های مورد استفاده برای اندازه گیری این مقادیر اغلب بیان نشده است. البته این مسئله حائز اهمیت می باشد که جنبه‌ی زبری در مدل ها، یک پارامتر متنوع است و انواع مختلفی از این زبری در طبیعت و آزمایشگاه، یافت می شود. در حالی که مدل های ساده‌ی Cassie و Wenzel چارچوب مناسبی برای آگاهی یافتن درمورد زوایای تماس زیاد، فراهم آورده است، تدوین مدل های جزئی تر برای ایجاد ارتباط میان این زوایا و پسماند زاویه ای، ضروری است. اخیرا یک تلاش در این زمینه وسعت بخشیدن به دامنه‌ی اطلاعات در زمینه‌ی زبری، بوسیله‌ی Nosonovski و Bhushan انجام شده است. زوایای تماس بیشتر از 170 درجه با این روش ها گزارش شده است که در این ارتباط، مدل Cassio حدود 1 % تماس میان آب و سطح جامد را محاسبه کرده است. این مسئله گیج کننده است و نیازمند بررسی های تجربی بیشتری است. خوب است این مسئله تذکر داده شود که یک دید دیگر از ابر آب گریزی یا پسماند از نقطه نظر خط تماس نسبت به ناحیه‌ی تماس (این مساحت به طور گسترده گزارش شده است مخصوصا به وسیله‌ی Oner و McCarthy) می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
یک سوال اساسی در مورد سطوح ابر آب گریز، مخصوصا برای کابردهای بالقوه‌ی این سطوح، میزان ثبات این اثر است. مدل سازی تئوری انتقال از حالت ترشوندگی هتروژن به حالت ترشوندگی هموژن، میزان فشار هیدرولیک و تجربیات در زمینه‌ی کندانس شدن، در سال گذشته، گزارش شده است و توانسته اطلاعات مفیدی در زمینه‌ی این مشکل به ما بدهد. هم Chang و هم Jin و همکارانش زوایای تماس بالا و افت چسبندگی را مشاهده کردند که این مسئله این ادراک را که سطوح زبر منجر به تشکیل حالت ترشوندگی هتروژن می شود را به چالش می کشد.
تاریخ : سه شنبه 94/4/30 | 4:29 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
یکی دیگر از روش های جدید برای کاهش انعطاف پذیری از طریق ایجاد توزیع اندازه‌ی دانه‌ی بی مودال( bimodal) انجام می‌شود. در برخی مقالات، مس نانوساختار از طریق ترکیبی از روش های ECAP و نورد ثانویه در دمای پایین( در نیتروژن مایع)، پیش از حرارت دهی در دمایی در حدود 450 K، تولید می‌شود. این روش یک ساختار بی مودال با دانه هایی با اندازه‌ی میکرونی ایجاد می‌کند که در آن یک کسر حجمی حدودا 25 % از این ذرا ت در داخل زمینه ای از دانه های نانوکریستالی قرار دارند. مواد تولید شده با این روش، دارای انعطاف پذیری بسیار بالایی است در حالی که استحکام این مواد بالاست. دلیل یک چنین رفتاری این است که در حالی که دانه های نانوکریستالی استحکام ایجاد می‌کنند، دانه های بزرگتر که در داخل این زمینه واقع شده اند، تغییر شکل کششی این مواد را پایدار می‌کنند.
یکی دیگر از روش های جدید برای کاهش انعطاف پذیری از طریق ایجاد توزیع اندازه‌ی دانه‌ی بی مودال( bimodal) انجام می‌شود. در برخی مقالات، مس نانوساختار از طریق ترکیبی از روش های ECAP و نورد ثانویه در دمای پایین( در نیتروژن مایع)، پیش از حرارت دهی در دمایی در حدود 450 K، تولید می‌شود. این روش یک ساختار بی مودال با دانه هایی با اندازه‌ی میکرونی ایجاد می‌کند که در آن یک کسر حجمی حدودا 25 % از این ذرا ت در داخل زمینه ای از دانه های نانوکریستالی قرار دارند. مواد تولید شده با این روش، دارای انعطاف پذیری بسیار بالایی است در حالی که استحکام این مواد بالاست. دلیل یک چنین رفتاری این است که در حالی که دانه های نانوکریستالی استحکام ایجاد می‌کنند، دانه های بزرگتر که در داخل این زمینه واقع شده اند، تغییر شکل کششی این مواد را پایدار می‌کنند.
سایر شواهد در مورد اهمیت توزیع اندازه‌ی دانه در مورد روی، مس و آلیاژهای آلومینیوم نیز مشاهده شده است. علاوه بر این، بررسی های انجام شده بر روی مس، نشان داده است که ساختار بی مودال ممکن است انعطاف پذیری را افزایش دهد. این افزایش نه تنها در طی تست کشش ایجاد می‌شود بلکه همچنین در طی تغییر شکل سیکلی نیز ایجاد می‌شود. این مشاهدات برای بهبود خواص خستگی مواد مهم می‌باشند. روش سومی که برای افزایش استحکام پیشنهاد شده است، ایجاد ذرات فاز ثانویه در داخل زمینه ای از فلز نانوساختار می‌باشد. این به نظر می‌رسد که با استفاده از این ذرات، انتشار باند برشی( SB) در طی ایجاد کرنش اصلاح می‌شود و بنابراین استفاده از این ذرات موجب افزایش انعطاف پذیری می‌شود.
قانون حصول استحکام و انعطاف پذیری بالا با استفاده از ایجاد فازهای شبه پایدار میانی، به طور موفقیت آمیز در آلیاژ تجاری Al-Zn-Mg-Cu-Zr و آلیاژ Al-10.8%Ag که تحت فرایند ECAP و پیرسازی متعاقب قرار گرفته اند، مشاهده شده است. قانون این روش در شکل 10.11 برای آلیاژ Al-Ag مشاهده می‌شود. در این شکل، میکروسختی بر واحد ویکرز نسبت به زمان پیرسازی در دمای 373 K نشان داده شده است. نمونه های مورد استفاده در این روش ابتدا با استفاده از یک فرایند محلول سازی(ST) آماده سازی شده و سپس فرایندهای CR و ECAP بر روی آنها انجام شده است. برای شرایط ST، سختی ابتدا پایین است اما با افزایش زمان پیرسازی، این سختی افزایش می‌یابد و در زمان 100 ساعت، به مقدار ماکزیمم می‌رسد. برای شرایط CR، سختی بالاتر است اما با اعمال فرایند پیرسازی، تنها یک افزایش اندک در سختی ایجاد می‌شود. سختی حتی بعد از ECAP نیز بالاتر است و با اعمال فرایند پیرسازی، یک افزایش در مقدار سختی ایجاد می‌شود و ماکزیمم این مقدار بعد از 100 ساعت رخ می‌دهد. مقادیر نسبتا پایین سختی که بعد از فرایند CR ثبت شده است (نسبت به نمونه های ECAP شده) به دلیل کرنش های معادل پایین تر است که در نمونه ها ایجاد شده است. این کرنش ها در CR برابر با 1.4 و در ECAP برابر با 8 می‌باشد به نحوی که ریزساختار بعد از CR شامل دانه ها و مرزدانه هایی با زوایای قرارگیری کوچک هستند. با استفاده از مشاهدات TEM، این نشان داده شده است که سختی ماکزیمم که بعد از ECAP و پیرسازی به مدت 100 ساعت، ایجاد شده است به دلیل ایجاد رسوبات در داخل دانه ذرات کروی (با اندازه‌ی 10 نانومتر) و ایجاد رسوبات باریک (با طول 20 نانومتر) ایجاد شده است. ذرات کروی به عنوان نقاط η تشخیص داده شده اند و شامل آرایه هایی از اتم های حل شونده هستند که به موازات صفحات (001) قرار گرفته اند همچنین رسوبات باریک به عنوان ذرات γ شبه صفحه ای تشخیص داده شده اند. این همچنین نشان داده شده است که فرایند پیرسازی اضافی( تا 300 ساعت) منجر به رشد ذرات γ می‌شود و این مسئله منجر می‌شود تا دانسیته‌ی نقاط η کاهش یابد و بدین صورت یک اتلاف در سختی در طولانی ترین زمان پیرسازی( شکل 1) ایجاد می‌شود. .
اعمال فرایند پیرسازی بعد از ECAP دارای اثر مهمی بر روی رفتار تنش- کرنش در دمای اتاق است( شکل 2). که در اینجا نمودارهای تنش- کرنش بعد از ECAP و بعد از عملیات محلول سازی( ST)، CR و ECAP با پیرسازی اضافی در دمای 373 K به مدت 100 ساعت، نشان داده شده است. هر نمونه‌ی موجود در شکل 2 در دمای محیط و با اعمال تنشی به سرعت 
، مورد آزمون قرار گرفته است. بنابراین، ST و پیرسازی یک استحکام کششی مناسب ایجاد می‌کنند. در نمودار این نمونه ها ناحیه‌ی گسترده و با کرنش یکنواخت مشاهده می‌شود که نشاندهنده‌ی انعطاف پذیری مناسب است. این در حالی است که CR و پیرسازی استحکام را افزایش می‌دهند اما کرنش یکنواخت آنها محدود است و کاهش قابل توجهی در انعطاف پذیری کل آنها ایجاد می‌شود.
برای شرایط ECAP، استحکام در غیاب فرایند پیرسازی، بالاست اما یک ناحیه‌ی کوچک با کرنش یکنواخت وجود دارد و از این رو کارسختی قابل توجهی مشاهده نمی شود. در عوض، نمونه ای که بعد از اعمال فرایند ECAP بر روی آن، به مدت 100 ساعت پیرسازی شده است، دارای استحکام بالا، یک ناحیه با کار سختی و انعطاف پذیری بالا می‌باشد. در عمل، کرنش یکنواخت 0.14 در این نمونه ایجاد می‌شود. این کرنش مشابه با کرنش یکنواخت 0.17 در نمونه ای است که در آن فرایند ST و پیرسازی بر روی آن انجام شده است. ازدیاد طول شکست در این نمونه برابر با 0.40 می‌باشد که این مقدار نیز با ازیاد طول شکست برای نمونه ای که در آن فرایند ST و پیرسازی انجام شده است، قابل مقایسه است. بنابراین، این نتایج نشان می‌دهد که در آلیاژهای رسوب سختی شده، پتانسیل کاهش استحکام و انعطاف پذیری وجود دارد. علاوه بر ان، اگر چه نتایج نشان داده شده در شکل 1 و 2 به مدل آلیاژ Al-Ag مرتبط است، این را می‌توان پیش بینی نمود که نتایج مشابهی برای آلیاژهای مهندسی تجاری نیز قابل حصول است.
این بد نیست که بدانید، در فلزات UFG ایجاد شده با روش SPD، هم استحکام و هم انعطاف پذیری می‌توانند با انجام تست های مکانیکی در دمای پایین، بهبود یابد. به عنوان مثال، شکل 3 نمودارهای تنش- کرنش مهندسی را برای Ti فرآوری شده با روش UFG را نشان می‌دهد که در آن اندازه‌ی دانه برابر با 260 نانومتر می‌باشد. تست انجام شده بر روی این نمونه در دمای 77K انجام شده است. در دمای اتاق، Ti ئارای انعطاف پذیری و ازدیاد طول شکست کوچکی است( همانگونه که این مسئله در نمودار A قابل مشاهده می‌باشد. این نمودار با سرعت اعمال تنش 1×?10?^(-3) s^(-1) بدست آمده است). به هر حال، در دمای 77K، استحکام ماده به طور شدیدی بالا می‌رود و به مقدار 1.4 GPa می‌رسد. همچنین میزان ازدیاد طول شکست نیز به طور متقارن افزایش می‌یابد و این مقدار با افزایش سرعت کرنش، به میزان ماکزیمم 20 % می‌رسد( شکل 3). در این شکل نمودارهای B-D به ترتیب برای سرعت های کرنش 
، 
و 
می‌باشد. نتایج استحکام و انعطاف پذیری نسبت به آلیاژ تیتانیوم بهتر و یا حداقل برای آلیاژهای تیتانیوم با درصد بیشتر از عناصر آلیاژی، قابل مقایسه می‌باشد. در اینجا، فرایند گلویی شدن به تأخیر می‌افتد( حتی برای این فلز بسیار سفت) و موجب می‌شود تا یک ناحیه‌ی بزرگتر در زیر نمودار تنش – کرنش ایجاد شود و بدین وسیله رفتار تافنس ماده بهبود می‌یابد. نمودار E کرنش اولیه‌ی 18 % را برای نمونه‌ی Ti مورد بررسی قرار داده شده در دمای 77K نشان داده است.
این به خوبی فهمیده شده است که مس UFG با انعطاف پذیری بالا دارای حساسیت به نرخ کرنش(m) بالاتری است که در اینجا m به صورت 
تعریف می‌شود (σ کرنش اعمال شده و ε^" نرخ کرنش است). مقدار m برای مس ECAP شده با 16 سیکل، برابر با 0.14 می‌باشد این در حالی است که مقدار m برای مس ECAP شده با دو سیکل برابر با 0.06 می‌باشد. مقدار حساسیت نرخ کرنش نشاندهنده‌ی این است که جریان ویسکوز در ماده به گونه ای است که در برابر گلویی شدن، مقاومت ایجاد می‌شود و بنابراین، این ماده انعطاف پذیر است. مقادیر افزایش یافته برای حساسیت نرخ کرنشی همچنین در برخی مطالعات دیگر مشاهده شده است. اخیر این موضوع نشان داده شده است که مقدار m برای آلیاژهای آلومینیوم UFG در دمای اتاق می‌تواند افزایش یافته و به مقدار 0.24 برسد. این مقدار به دلیل دستکاری ترکیب شیمیایی مرزدانه ها رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به افزایش انعطاف پذیری در دمای اتاق گردد. در زمان یکسان، همچنین گزارشاتی ارائه شده است که نشان می‌دهد مقادیر m بعد از UFG کاهش می‌یابد. این ممکن است که این تفاوت های ظاهری به دلیل خواص ریزساختاری نمونه ها ایجاد شده اند( زیرا همانگونه که هم اکنون نشان داده شده است، ریزساختارهای تولید شده در حالت UFG، ممکن است، متفاوت باشد( بسته به شرایط کاری).
درنتیجه، مطالعات اخیر نشان می‌دهد که ریز شدن دانه ها در حالت UFG می‌تواند منجر به افزایش استحکام و انعطاف پذیری به طور همزمان شود. یک چنین خواص مکانیکی منحصربفرد در فلزات در توسعه‌ی مواد با ساختار پیشرفته‌ی نسل جدید، بسیار مناسب می‌باشند. به هر حال، حصول چنین خواصی مربوط به ریزساختارهای خاصی است که در حقیقت این ریزساختارها بواسطه‌ی فرایند های دقیق ایجاد می‌شوند. این مسئله نشاندهنده‌ی جنبه‌ی علمی و هنری ایجاد ساختارهای نانومتری با استفاده از روش های UFG، می‌باشد.
تاریخ : سه شنبه 94/4/30 | 4:29 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
رفتار خستگی
خستگی مربوط به فرایندهای ذخیره سازی تخریب در ساختار و در نهایت شکست ماده تحت بارهای سیکلی در یک سطح از تنش پایین تر از استحکام کششی، می‌باشد.عمر خستگی کل به طور قراردادی به دو رژیم تقسیم می‌شود: این رژیم شامل زمان مورد نیاز برای جوانه زنی ترک و زمان مورد نیاز برای انتشار آن می‌باشد. مقاومت به شروع ترک معمولا نیازمند این است که ماده استحکام داشته باشد، در حالی که مقاومت در برابر انتشار ترک نیازمند انعطاف پذیری ماده می‌باشد. رژیم های خستگی سیکل پایین( LCF) و خستگی سیکل بالا(HCF)، به طور قراردادی با توجه به بزرگی کرنش اعمال شده، قابل تمیز دادن است. آزمون های انجام شده در رژیم HCF در پی پیدا کردن مسائلی است که موجب می‌شود مقاومت ماده در برابر جوانه زنی ترک بالا رود، در حالی که آزمون های انجام شده در رژیم LCF در پی ارزیابی مقاومت مواد در برابر رشد عیوب می‌باشد.
مواد نانوساختار برای کاربردهای مهندسی سبک و مدرن مناسب می‌باشند زیرا این مواد داری خواص مکانیکی بسیار خوبی هستند( تحت بارگذاری سیکلی و یکنواخت). به طور خاص، خواص خستگی فلزات و آلیاژهای نانوساختار یکی از موضوعات کلیدی برای استفاده‌ی موفقیت آمیز از این گروه از مواد جدید در کاربردهای مهندسی می‌باشد. به دلیل اینکه رفتار مواد نانوساختار به سادگی با اثر هال پچ قابل توصیف نمی باشد، چندین جنبه مانند پایداری ریزساختاری، ایجاد نوارهای برشی، یا توزیع اندازه‌ی دانه در زمینه‌ی توصیف خواص این مواد مورد بررسی قرار گرفته است. از آنجایی که تنها مقالات اندکی در زمینه‌ی رفتار خستگی فلزات نانوساختار واقعی موجود می‌باشد، این زمینه از علم عمدتا به بررسی مواد نانوساختار تولید با روش SPD، اختصاص یافته است. اولین بررسی ها بر روی رفتار تغییر شکل سیکلی مواد UFG بر روی مس و بوسیله‌ی Vinogradov و Agnew و Weertmann انجام شده است. این بررسی بیش از1 دهه‌ی پیش انجام شده است. تاکنون تنها بررسی های سیستماتیک اندکی بر روی رفتار خستگی مس UFG، نیکل، آلومینیوم و برنج آلفا انجام شده است. به دلیل پیشرفت های انجام شده در زمینه‌ی فرایند های SPD، مواد چند فازی UFG مانند آلیاژهای Al، آلیاژهای Mg، آلیاژهای FeCrو آلیاژهای تیتانیوم به طور موفقیت آمیز با استفاده از روش ECAP تولید شوند. درنتیجه، خواص خستگی این مواد مورد بررسی قرار گرفته است.
اخیر این مسئله به صورت تجربی در تعدادی از مواد مشاهده شده است که ایجاد ساختارهای بسیار ریز معمولا مقاومت به خستگی را نسبت به مواد با ساختار معمولی، بهبود می‌دهد. برای مثال، عمر خستگی و حد پایداری برای سیکل های با دامنه‌ی تنش ثابت برای نیکل و آلیاژهای Al-Mg وقتی افزایش می‌یابد که ریزساختار از حالت میکروکریستالی به UFG و نانوساختار تبدیل شود. در مورد مس، که متداول ترین ماده در این بررسی هاست، یک بهبود در عمر خستگی در هنگام ایجاد مس UFG مشاهده شده است.
یک بهبود مناسب در حد خستگی در مواد با لغزش صفحه ای( مانند Ti فرآوری شده با روش ECAP در دمای 400 درجه‌ی سانتیگراد که بعد از این فرایند تحت عملیات CR به یک کاهش در مساحت 75 % می‌رسد و سپس در دمای 300 درجه به مدت 1 تا 2 ساعت تحت عملیات آنیل قرار داده می‌شود) مشاهده شده است. حد خستگی برابر با 500 مگا پاسکال برای تیتانیوم SPD شده تقریبا نزدیک به آلیاژهای متداول Ti است( شکل 4).
این به نظر می‌رسد که نرم شدگی سیکلی، رشد دانه ها و تمرکز کرنش، مکانیزم های اصلی برای کاهش مقاومت به خستگی ساختارهای UFG تحت دامنه های کرنش پلاستیک یکسان می‌باشد. نرم شدگی سیکلی که به دلیل بارگذاری سیکلی ایجاد می‌شود، در مطالعات اولیه در زمینه‌ی مس UFG مشاهده شده است. این نتیجه گیری شده است که این نرم شدگی به دلیل کاهش عمومی در دانسیته‌ی عیوب و احتمالا تغییر در جهتگیری مرزدانه ها، ایجاد شده است.
در دامنه های کرنش پایین، نرم شدگی کمتر ایجاد شده است. نمودار سیکل سخت شدگی یا نرم شدگی در طی بیشتر بخش های عمر خستگی مسطح است و هیچ نرم شدگی تحت دامنه‌ی کرنش پلاستیک(
کمتر از 
) مشاهده نشده است. رفتار نرم شدگی عملا به پارامترهای بارگذاری و ریزساختاری وابسته است. یک ریزساختار با دانه های هم محور( نوع A) دارای رفتار سیکلی تقریبا پایدار است. در حالی که یک ریزساختار دارای دانه های باریک و کشیده یا لایه ای ( نوع B) تحت شرایط بارگذاری یکسان، دارای نرم شدگی قابل توجهی است.رشد دانه و تغییر در ریزساختار که به دلیل ایجاد پدیده‌ی خستگی بوجود آمده است، به طور مکرر در مس UFG مشاهده شده است و همچنین شواهدی وجود دارد که در این مواد اندازه‌ی سلول افزایش قابل توجهی دارد. نواحی با دانه های ری کریستال شده در ساختار UFG نوع B ایجاد می‌شوند، در حالی که ری کریستالیزاسیون و رشد دانه در ساختار نوع A مشاهده نشده است. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد ری کریستالیزاسیون در مس UFG با خلوص بالا( بعد از یک بارگذاری با کرنش پلاستیک ثابت) افزایش یافته است. در کار اخیری که در این زمینه انجام شده است، این فرض شده است که ساختار ویژه ا ی از نابجایی ها می‌تواند در دانه های بسیار ریز ایجاد شود در حالی که یک ساختار ویژه دیگر از نابجایی، در دانه های درشت، ایجاد شده است. در دامنه های کرنش بالاتر، یک ساختار سلولی و دانه ای تعریف شده در مس UFG مشاهده شده است.
تمرکز کرنش سیکلی موجب می‌شود تا ایجاد ترک شروع شود و یکی از ویژگی های مهم فرایند خستگی در مواد UFG است. توسعه‌ی نوارهای برشی ماکروسکوپیک( SBs) یکی از شکل های اصلی تخریب های خستگی در مواد UFG تولید شده با روش ECAP می‌باشد. بنابراین، نوارهای برشی قرار گرفته در زاویه‌ی 45 درجه نسبت به محور بارگذاری، بر روی سطح نمونه های مسی مشاهده شده است که به صورت سیکلی بارگذاری شده است. در اینجا این نوارها به طور ماکروسکوپیک موازی صفحات برشی آخرین عبور از سیستم اکستروژن می‌باشد. نشان داده شده است که این نوارهای برشی بعد از پولیش سطح نیز بر روی آن ظاهر می‌شوند. این مقاومت طبیعی نشان می‌دهد که آنها مکان های مستعدتری برای تغییر شکل سیکلی می‌باشند. مشاهدات بدست آمده بعد از LCF همچنین آشکار ساخته است که اکسترود کردن و اینتروژن( دو فرایند شکل دهی با جهات متفاوت- یکی به سمت بیرون و دیگری به سمت داخل) از لحاظ خواص خستگی مشابه می‌باشند. این مشاهدات از بررسی ها بر روی تک کریستال های مس بدست آمده است. برای مواد UFG، ابعاد متوسط اکستروژن( هم از لحاظ طول های آنها و هم از لحاظ زاویه‌ی بین آنها) از اندازه دانه‌ی بسیار ریز، بزرگتر است. با توجه به این مسئله، جزئیات ایجاد شده در هنگام تشکیل یک چنین نوارهای برشی کاملا مشخص نیست. این پیشنهاد شده است که مکانیزم بوجود آمده در تشکیل یک چنین نوارهای برشی در واقع برهمکنش های میان درشت شدن اندازه‌ی دانه و چرخش دانه ها می‌باشد. در این مکانیزم، درشت شدن موضعی ابتدا رخ می‌دهد و سپس تمرکز برشی ظاهر می‌شود. این نیز پیشنهاد شده است که ری کریستالیزاسیون به طور ترجیحی در برخی نواحی رخ می‌دهد و ساختاری نواری تشکیل می‌دهد. این اعتقاد وجود دارد که رشد دانه که با تغییر شکل سیکلی شروع می‌شود، یکی از متداول ترین ویژگی های فلزات UFG شده است. به عبارت دیگر، رشد دانه‌ی قابل تخیصی در نزدیکی نوارهای برشی، مشاهده نشده است که این مسئله نشان می‌دهد هیچ رابطه ای میان نوارهای برشی و درشت شدن دانه ها وجود ندارد.
برخی بحث ها در زمینه‌ی اثر فرایند ECAP بر روی خستگی و ایجاد کارایی خستگی بهینه، وجود دارد. این نکته تذکر داده شده است که عبور ماده از میان یک تعداد از مسیرهای ECAP منجر به افزایش استحکام یکنواخت و حد خستگی می‌شود. علاوه بر این، خواص خستگی فلزات UFG می‌تواند با ایجاد انعطاف پذیری و کاهش قیود موجود در برابر حرکت نابجایی ها، بهبود یابد. به عنوان مثال، با کاهش تمایل برای ایجاد نوارهای برشی و تمرکز کرنش که در بسیاری از فلزات سخت شده، وجود دارد، این مسئله میسر می‌شود. بنابراین، این کار می‌تواند موجب بهبود خواص خستگی موادی مورد استفاده قرار گیرد که دارای ساختار نسبتا بازیابی شده هستند. اثر مثبت عملیات حرارتی بر روی LCF در مطالعات اولیه بر روی خواص خستگی مواد فرآوری شده با ECAP مشاهده شده است. این نشان داده شده است که استفاده از تکنیک انتشار اکوستیک و بررسی های ماکروسکوپیک سطحی، میزان قابلیت ایجاد نوارهای برشی در مس ECAP شده، به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد( این مسئله بعد از یک زمان کوتاه آنیل( تنها 10 دقیقه) در دمای 250 درجه ایجاد می‌شود). در این وضعیت عمر LCF می‌تواند به میزان 5 الی 10 برابر افزایش یابد. اینم در حالی است که فرآوری با ECAP منجر به یک کاهش قابل توجه در انعطاف پذیری سیکلی و استحکام کششی می‌شود. اگر همان ماده را تحت عملیات آنیل قرار دهیم( بعد از فرایند ECAP)، می‌توان ماده ای با انعطاف پذیری بالاتر حاصل شود وبنابراین عمر خستگی بدین وسیله بهبود می‌یابد. از آنجایی که فلزات تحت SPD قرار داده شده بعد از تولید دارای مقداری انعطاف پذیری هستند، استحکام کششی و سیکلی بالای آنها می‌تواند بعد از فرآوری( از طریق استفاده از روش CR با یا بدون آنلیل در دمای متوسط)، بهبود یابد. این مسئله برای برخی از آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم، تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیوم مشاهده شده است.
اثر ایجاد رسوبات بر روی فلزات نانوساختار تولید شده با روش SPD، پیچیده است. به عبارت دیگر، این را می‌توان در ابتدا گفت که رسوبات می‌توانند به طور قابل ملاحظه ای پایداری حرارتی فلزات SPD شده را افزایش دهند و به عبارت دیگر، مرزدانه ها ممکن است در طی عملیات پیرسازی، بازیابی شوند و بدین وسیله تمایل آنها به تمرکز کرنش و ایجاد ترک های پیش از موعد، کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، این نشان داده شده است که پیرسازی بهینه که بر روی آلیاژ Cu-Cr-Zr فرآوری شده با ECAP انجام شده است، ساختاری را پدید می‌آورد که دارای استحکام بالا و اندازه‌ی دانه‌ی 200 نانومتر است. این ساختار بعد از آنیل در دماهای بالا مانند 500 درجه‌ی سانتیگراد، نیز حفظ شده است. این نشان داده شده است که ECAP انجام شده بر وی آلیاژ Al-2024 و سپس پیرسازی در دمای پایین می‌تواند به طور قابل توجهی هم استحکام و هم انعطاف پذیری را افزایش دهد. بنابراین، نمونه هایی که در دمای 100 درجه‌ی سانتیگراد به مدت 20 ساعت، پیرسازی شده است، دارای استحکام کشش نهایی برابر با
می‌باشد و ازدیاد طول کل تا نقطه‌ی شکست در آنها برابر با 
می‌باشد. این همچنین نشان داده شده است که تنش تسلیم و استحکام کشش آلیاژ Al-6061 که تحت عملیات ECAP چند مرحله ای (به تعداد 4 پالس) قرار داده شده نسبت به نمونه‌ی ST فرآوری شده بوسیله‌ی ECAP تک مرحله ای در دمای 125 درجه، بهتر است.اگر چه اثر یک مرحله عبور در ECAP که بر روی آلیاژ آلومینیوم 6061 انجام شده است، زیاد است، این به طور واضح مشخص نشده است که آیا می‌توان استحکام و انعطاف پذیری یکسانی را بعد از عملیات های متداول بر روی آلیاژهای آلومینیوم، بدست آورد یا نه!
از این رو، این به نظر می‌رسد که چندین روش رقابتی کلی برای بررسی میزان افزایش خواص خستگی از طریق فرایندهای SPD وجود دارد. اولین روش، ایجاد یک توافق میان استحکام و انعطاف پذیری میان تعداد حداقل سیکل های عبور از ECAP می‌باشد. در واقع در جاهایی که ممکن است، تنها یک سیکل عبور مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا عبور یک سیکل می‌تواند کرنش های اندکی ایجاد کند. راه دوم بوسیله‌ی ایجاد ماکزیمم استحکام ممکنه حاصل می‌شود. این استحکام ماکزیمم منجر به پدید آمدن عمر HCF می‌شود. راه سوم حصول استحکام و انعطاف پذیری بالا از طریق ECAP چند مرحله ای و اعمال فرایند های ترمومکانیکی متعاقب می‌باشد. این کار هم عمر LCF و هم عمر HCF را افزایش می‌دهد.
بر اساس جوانب مطرح شده در خواص خستگی مواد نانوساختار مختلف که قبلا مورد توصیف شده اند، چندین استراتژی برای بهبود خواص خستگی BNM ها می‌تواند حاصل شود. بر اساس مقالات می توان گفت، شکل 5 شماتیکی از این استراتژی های بهبود دهنده و موضوعات کلیدی اثرگذار بر روی عمر خستگی مواد نانوساختار، را نشان داده است. استراتژی های مهم برای بهبود خواص خستگی بوسیله‌ی پارامترهای ECAP بهینه می‌شوند. این پارامترها عبارتند از دمای ECAP، سرعت عبور ماده و فشار بازگشتی اعمال شده در فرایند ECAP می‌باشند. علاوه بر این، انتخاب مناسب نوع و مقدار عناصر آلیاژی نیز می‌تواند استحکام خستگی را بعبود دهد. این فعالیت ها همچنین باید بر روی پایداری سیکلی ریزساختار نیز تأثیر مثبت داشته باشند و از تشکیل نوارهای برشی در طی فرایند ECAP جلوگیری کنند.
افزایش در انعطاف پذیری ماده‌ی UFG یکی دیگر از استراتژی هابرای بهبود خواص خستگی مواد UFG است. این مسئله مخصوصا در رژیم LCF و در زمانی که دامنه‌ی های کرنش پلاستیک بر روی عمر خستگی اثر گذار هستند، مشهود می‌باشد. انعطاف پذیری مواد UFG می‌تواند با استفاده از عملیات حرارتی بازیابی مناسب بعد از فرایند SPD افزایش یابد. این فرایند منجر به کاهش دانسیته‌ی نابجایی ها و ایجاد یک پیکربندی پایدار در مرزدانه ها، می‌شود. علاوه بر این، انتشار سیکلی ترک به طور مثبت بر روی عملیات حرارتی بازیابی اثر می‌گذارد.
بنابراین، این عادلانه است که بگوییم تا امروز نتایج مناسبی برای این مسئله وجود دارد که فرایند SPD بر روی خواص خستگی اثر گذار است، اما با این حال، فرصت های قابل ملاحظه ای برای توسعه‌ی روش های فرآوری بهینه وجود دارد که بوسیله‌ی آنها بتوان خواص خستگی مناسب در مواد تولید شده با روش SPD، ایجاد شود.
مکانیزم های دیگر برای تغییر شکل در اندازه‌ی دانه های بسیار ریز
وقتی اندازه‌ی دانه در مواد UFG بدست آمده بوسیله‌ی روش SPD بسیار کوچک شود( معمولا کمتر از 100 نانومتر)، مکانیزم های تغییر شکل جدید ممکن است بوجود آید که این مکانیزم های جدید می‌توانند نقش قابل توجهی در رفتار مکانیکی داشته باشند. بنابراین، بر اساس مشاهدات تجربی و شبیه سازی های کامپیوتری، این آشکار شده است که مواد با اندازه‌ی دانه‌ی نانوکریستالی از طریق مکانیزم هایی تغییر شکل می‌دهند که این مکانیزم ها در مواد معمولی قابل قبول نمی باشند. برای مثال، وقتی اندازه‌ی دانه کمتر از 100 نانومتر است، انتشار نابجایی های جزئی از مرزدانه ها یکی از مکانیزم های عمده در تغییر شکل می‌باشد. این نتیجه از مشاهدات انجام شده بر روی مس و آلومینیوم UFG شده، بدست آمده است. این مسئله مهم است که بدانید در آلومینیوم معمولی هیچگاه تغییر شکل با استفاده از فرایند دوقلویی شدن ایجاد نمی شود( حتی در دکاهای پایین و سرعت های کرنش بالا). مشاهدات TEM انجام شده بر روی مس HPT شده نشان می‌دهد که نواحی وجود دارد که در آنها دوقلویی شدن اتفاق افتاده است. همچنین نقص های چیده شدن بسیاری وجود دارد که از مرزدانه ها به دانه ها گسترش یافته است اما به مرزدانه های مجاور نرسیده است. بنابراین این مسئله شواهد مستقیمی از این موضوع است که نابجایی های جزئی از منابع موجود در داخل مرزدانه ها، انتشار یافته اند.علاوه بر آن، مواد نانوساختار تولید شده با روش های SPD به طور خاص دارای مرزدانه های غیر تعادلی هستند که این مسئله بوسیله‌ی وجود تعداد زیادی از نابجایی های غیر هندسی قابل تشخیص می‌باشد. برخی از این نابجایی ها ممکن است مربوط به پاره های شاتکی باشند و قادر هستند با اعمال تنش بر روی ماده، از مرزدانه دور شوند. این مرزدانه ها می‌توانند به عنوان منابع تولید و خنثی سازی نابجایی های جزئی عمل کنند. علاوه براین، نابجایی های جزئی ممکن است همچنین از مرزدانه ها و از طریق فرایند مخلوط شدن مجدد اتمی، ایجاد شوند.
به دلیل اینکه تعداد مرزدانه ها در واحد حجم با کاهش اندازه‌ی دانه، افزایش می‌یابد، این انتظار وجود دارد که سایر مکانیزم های تغییر شکل شامل لغزش مرزدانه ها و چرخش مرزدانه ها نیز ایجاد شوند. از این رو با کاهش اندازه‌ی دانه، این فرایندها مهم می‌شوند. در طی تغییر شکل، چرخش دانه بطور پیچیده ای به لغزش مرزدانه ها در ارتباطند. بنابراین، حرکت نابجایی ها بر روی سیستم های لغزش ترجیحی موجب می‌شود تا دانه ها و بافت کریستالوگرافی، بچرخند. در عوض، این مسئله منطقی به نظر می‌رسد که چرخش از طریق لغزش مرزدانه ها به تنهایی و به طور اتفاقی موجب توزیع جهت گیری دانه ای می‌شود. بنابراین این نکته حائز اهمیت است که آزمایشات انجام شده بر روی Pd نانوکریستالی که در دمای اتاق و با سرعت کرنش واقعی 0.6 تحت عملیات نورد قرار گرفته است، نشان داده است که توزیع جهت گیری دانه ها تصادفی در ماده‌ی اولیه، حفظ شده است، در حالی که در ماده‌ی تغییر شکل داده شده، یک بافت ترجیحی حاصل از نورد، مشاهده شده است. این نتایج شواهد محکمی در زمینه‌ی وجود نقش قابل توجه چرخش دانه بر روی فرایند تغییر شکل فلز نانوکریستالی را ارائه کرده است. این در حالی است که این چرخش به طور مکانیکی مشابه چرخش دانه ای است که در طی تغییر شکل سوپرپلاستیک مواد( با اندازه‌ی دانه‌ی میکرومتری) در دمای بالا، رخ می‌دهد.
در فلزات UFG تولید شده با روش ECAP، لغزش مرزدانه ها به طور تجربی مشاهده شده است. این مشاهدات از کار اخیر بر روی مس UFG شده با اندازه‌ی دانه‌ی 210 نانومتر، حاصل شده است. در این بررسی، مشارکت لغزش مرزدانه ها بر روی کرنش کل برابر با 20 % تخمین زده شده است. اخیرا، اثرات برشی ماکروسکوپیکی گزارش شده است که بر روی سطح نمونه های مس، نیکل و آلومینویم UFG ایجاد شده اند. این نتایج بعد از انجام تست کشش در دمای اتاق حاصل شده است در حالی که این مشاهدات با مدل لغزش مزوسکوپیک توسعه داده شده برای مواد نانوکریستالی، سازگار می‌باشد. در آزمایش‌هایی که به تازگی انجام شده است، در یافته‌اند که توسعه‌ی فعال لغزش مرزدانه‌ها به طور مستقیم در آلومینیوم UFG شده‌ای رخ می‌دهد. تخمین زده شده است که مشارکت لغزش در این آزمایش‌ها، برابر با 70 % بوده است. این نتایج از اندازه‌گیری‌های انجام شده بر روی پروفایل های سطحی ایجاد شده در اطراف نقاط سختی سنجی شده، حاصل شده است و به طور جدی وجود لغزش در تغییر شکل رخ داده در ساختار UFG را تأیید می‌کند.
این مسئله مهم است که بدانید این داده ها به طور نزدیکی با نتایج به دست آمده از حساسیت نرخ کرنش در این مواد، تطابق دارد. در واقع، حساسیت نرخ کرنش شاخصی از میزان ویسکوز بودن جریان است. برای مثال در فرایند سوپرپلاستیسیته‌ی میزان حساسیت نرخ کرنش برابر با 0.5 می‌باشد.
سوال باقی مانده این است که چرا لغزش مرزدانه ها که در مواد نانوساختار تولید شده با روش SPD ( در دمای پایین) ایجاد می‌شود، در مقایسه با دماهای مطلق ذوب مواد، پایین است. بنابراین دمای معمولی برای آلومینیوم خالص مشابه دمای
است در حالی که 
دمای مطلق ذوب ماده است. از آنجایی که لغزش مرزدانه ها یک فرایند کنترل شونده با استفاده از نفوذ است، این فرایند ترجیحا در دماهای بالا انجام می‌شود. با اینحال، این مسئله جالب است که بدانید، امکان لغزش در دمای پایین در بسیاری از کارهای اولیه در این زمینه، مورد بحث بوده است. یک توضیح ممکنه برای وقوع لغزش در فلزات UFG این است که نفوذ در فلزات SPD شده سریع تر است زیرا در این مواد ساختار مرزدانه ها غیر تعادلی است. آزمایش‌ها نشان داده است که در فلزات تولید شده با روش SPD، ضریب نفوذ به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد و می‌تواند دو تا سه برابر شود. این مسئله به طور مستقیم به دلیل حضور مرزدانه‌های غیر تعادلی بوجود می‌آید. با توجه به این موضوع، به نظر می‌رسد که لغزش مرزدانه‌ها در فلزات UFG شده با سهولت بیشتری ایجاد می‌شود و این موضوع باعث می‌شود تا انعطاف پذیری در این مواد افزایش یابد. این به خوبی فهمیده شده است که افزایش لغزش در فلزات نانوساختار ممکن است منجر به وقوع سوپرپلاستیسیته در دماهای نسبتا پایین شود.بنابراین، نتایج اخیر که از شبیه سازی و انجام آزمایش حاصل شده است، شواهد محکمی ارائه کرده اند که به وسیله‌ی آنها پیشنهاد می‌شود در مواد نانوساختار، مکانیزم های تغییر شکل جدیدی رخ می‌دهد که این مکانیزم ها در مواد معمولی بوجود نمی آیند. یکی از وظیفه های مهم در تحقیقات آینده تشخیص و اندازه گیری روابط میان این مکانیزمهای تغییر شکل جایگزین می‌باشد. همچنین باید اثر این مکانیزم‌ها بر روی رفتار مکانیکی فلزات UFG نیز بررسی گردد.
تاریخ : سه شنبه 94/4/30 | 4:28 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مترجم: حمید وثیق زاده
منبع: راسخون
منبع: راسخون
مدول یانگ نسبت استحکام تنشی به استحکام کرنشی را نشان می‌دهد. در این مقاله توضیح داده می‌شود که چگونه مدول یانگ محاسبه می‌شود، تغییرات آن نسبت به دما چگونه است، و قانون هوک چیست.
در فیزیک به خصوصیات ماده و اینکه بعد از کشیدن یا متراکم کردن آن چگونه و تا چه میزان به شکل اولیه بازمیگردد کشسانی یا خاصیت ارتجاعی گفته می‌شود. به بیان دیگر، اینکه یک ماده تا چه اندازه به تغییر شکل مقاوم باشد جزء ویژگیها و مشخصههای آن ماده محسوب می‌شود. این مطلب دقیقاً مقابل این تصور ابتدائی است که اگر شیئی را بتوان بیشتر از بقیه اجسام کشید، آن شیء فنری شکل بوده و خاصیت ارتجاعی دارد. به همین دلیل، یک میله فلزی نسبت به لاستیک کشسانتر بوده و خاصیت ارتجاعی بیشتری دارد. یک میله فلزی، بعد از قطع نیروهای کششی یا فشاری که باعث تغییر شکل جسم می‌شود، نسبت به لاستیک خیلی بهتر شکل قبلی خود را دوباره بدست می‌آورد.
ماده می‌تواند در تمامی جهات تغییر شکل دهد. وقتی ماده‌ای در مقابل کشش یا فشارهای خطی مقاومت می‌کند، در واقع استحکام ارتجاعی و کشسانی از خود نشان می‌دهد. مقدار این استحکام با مدول یانگ داده می‌شود. در این مقاله پارامترهایی که مربوط به خاصیت کشسانی است و برای محاسبه مدول یانگ لازم می‌باشد توضیح داده می‌شوند. همچنین توضیح می‌دهیم که مدول یانگ با دما چگونه تغییر می‌کند و چه نسبتی با قانون هوک دارد.
تنش (Stress):
• وقتی جسمی تحت نیرویی فشرده یا کشیده می‌شود، نیروهای بازگرداننده داخلی در آن جسم بوجود می‌آیند که با این تغییر شکل مخالفت می‌کنند.
• به این نیروهای بازگرداننده داخلی در واحد سطح مقطع جسم تنش گفته می‌شود.
• مقدار تنش برابر است با مقدار نیروی خارجی اعمال شده در واحد سطحی که نیرو به آن سطح وارد می‌شود.
• تنش با فرمول زیر بیان می‌شود:
که در آن F علامت نیرو و A مساحت است.
• واحد تنش در دستگاه استاندارد SI برابر است با واحد نیرو تقسیم بر واحد سطح که برابر است با نیوتن بر مترمربع یا همان پاسکال.
بنابراین واحد تنش همان واحد فشار است.
کرنش (Strain):
• وقتی جسمی تحت تأثیر نیرویی فشرده یا کشیده می‌شود، شکل آن تغییر می‌کند.• به تغییر شکل جسم که در اثر این نیرو ایجاد می‌شود کرنش گفته می‌شود.
• بنابراین کرنش نسبت تغییرات طول جسم است نسبت به طول اصلی جسم.
• کرنش با فرمول زیر بیان می‌شود:
کرنش = میزان کشیدگی یا فشردگی بخش بر طول، یا
کرنش = Δl/l
• واحد کرنش: کرنش هیچ واحدی نداشته و یک مقدار بدون بعد است. زیرا برابر است با نسبت دو طول با واحد یکسان.
مدول یانگ:
• مدول یانگ در واقع مدول یا قدر مطلق استحکام کشسانی ماده است.
• خاصیت کشسانی ماده بیانگر آن است که ماده تا چه میزان نیروهایی که باعث تغییر شکل ماده می‌شوند را تحمل می‌کند، چقدر با آن مقابله می‌کند و تا چه میزان دستخوش تغییر می‌شود.
• ماده وقتی تغییر شکل می‌دهد که در طول یک محور فشرده یا کشیده شود. مدول یانگ برابر است با مقدار تنش به کرنش:
σ /ε =
(F/A)/(Δ L/L) =
واحد مدول یانگ در دستگاه SI برابر است با واحد تنش به واحد کرنش.
واحد تنش پاسکال، و کرنش بدون بعد است. بنابراین واحد مدول یانگ نیز همان پاسکال می‌باشد. در عمل بیشتر از مگاپاسکال، MPa، که برابر N/mm2، و یا گیگاپاسکال، GPa، که برابر KN/mm2 است استفاده می‌شود. بعنوان مثال، مدول یانگ استیل برابر با GPa 109 × 200 می‌باشد.
تغییرات مدول یانگ با دما:
وقتی دمای ماده‌ای تغییر می‌کند، متناسب با آن، در ارتعاشات اتمی آن جسم نیز تغییراتی رخ می‌دهد. بعنوان مثال، وقتی دمای جسم افزایش می‌یابد، ارتعاشات اتمی جسم نیز افزایش می‌یابد. بنابراین وقتی جسمی دچار تنش می‌شود، متناسب با بزرگی تنش، نیروهای داخلی بازگرداننده ماده نیز تغییر می‌کنند. حجم ماده نیز، وقتی در مقابل دمای بالا قرار می‌گیرد تغییر می‌کند. بنابراین کرنشی که ماده از خود نشان می‌دهد نیز تغییر می‌کند. از آنجاییکه مدول یانگ نسبت تنش به کرنش است، مقدار آن با افزایش یا کاهش دما عوض می‌شود. واچمن (Wachtman) فرمول تجربی را پیشنهاد کرد که بیانگر وابستگی مدول یانگ به دما است و با رابطه زیر داده می‌شود:E = E0-BT exp (-Tm/T)
• در این رابطه E0، مدول یانگ در دمای صفر درجه کلوین است.
• T، دمای مطلق است.
• B پارامتری است که مقدار آن بستگی به خواص ماده دارد و جزء مشخصههای ماده است. این کمیت در واقع شیب نمودار مقدار مدول یانگ برحسب دما است و به ثابت جرونایزن (Grüneisen)، یعنی γ وابسته است.
• Exp (-Tm/T) فاکتور بولتزمن است.
• Tm پارامتری است که به خصوصیات ماده وابسته است و به دمای دبای Θ مرتبط است.
• γ و Θ ثابتهایی هستند که به ترتیب، به انبساط حجمی دمایی، و دمای ویژه ماده وابستهاند.
مدول یانگ و قانون هوک:
قانون هوک بیانگر آن است که کششی که یک فنر تحمل می‌کند با نیرویی که به فنر اعمال می‌شود متناسب است.در محدودهای که خاصیت کشسانی ماده از بین نرفته باشد فرمول قانون هوک بصورت F=kX می‌باشد. که در آن F نیروی اعمالی به فنر، X جابهجایی ایجاد شده در فنر که می‌تواند میزان فشردگی یا میزان کشیدگی باشد، و k ثابت فنر است که از مشخصههای فنر می‌باشد.
دقت داشته باشید که بیشتر مواد وقتی در مواجهه با نیروهای تغییرشکلدهنده خطی قرار می‌گیرند مانند فنر رفتار می‌کنند. تفاوت اساسی که در این زمینه وجود دارد این است که بیشتر مواد، برخلاف فنر، یک مساحت سطحی دارند که باید آن را نیز در نظر گرفت. بنابراین می‌توانیم در فرمول بالا نیرو را با فشار یا همان تنش جایگزین کرده و فرمول را بصورت زیر بازنویسی کنیم:
σ = E x ε
بنابراین می‌توانیم اینطور نتیجه بگیریم که مدول یانگ همان ثابت فنر قانون هوک است که طول و سطح مقطع آن برابر 1 می‌باشد. جابهجایی نیز طولی درنظر گرفته می‌شود.
اجازه دهید برگردیم به مقایسهای که راجع به کشسانی استیل و لاستیک داشتیم، و آن را با مدول یانگ تجزیه و تحلیل کنیم. به ازای تنش یکسان، کرنش استیل در مقایسه با لاستیک کوچکتر است. بنابراین نسبت تنش به کرنش استیل بزرگتر از لاستیک است. بنابراین مدول یانگ استیل از مدول یانگ لاستیک بزرگتر است. و درنتیجه استیل از لاستیک کشسانتر می‌باشد!
تاریخ : شنبه 94/4/27 | 9:39 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
