211service.com
Hoe Casimir-moleculen te bouwen?
Het Casimir-effect is een constante bron van fascinatie voor natuurkundigen. Het effect bestaat vanwege de kwantumaard van het vacuüm dat gevuld is met elektromagnetische golven die in en uit het bestaan springen.
Plaats twee parallelle geleidende platen dicht bij elkaar in dit vacuüm en de grotere golven passen er niet tussen. Dus de golven buiten duwen de platen tegen elkaar. Dat is de beroemde Casimir-kracht die voor het eerst nauwkeurig werd gemeten in 1997.
De afgelopen jaren hebben natuurkundigen echter berekend dat de combinatie van verschillende materialen in verschillende vormen afstotende krachten zou moeten genereren (hoewel deze kracht nog moet worden gemeten).
Tegenwoordig zeggen Alejandro Rodriguez en vrienden van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge dat door zorgvuldig nanodeeltjes van verschillende materialen en maten te kiezen, de aantrekkelijke en afstotende Casimir-krachten moeten leiden tot een stabiele configuratie; een Casimir-molecuul, zou je kunnen zeggen.
In een indrukwekkende analyse berekenen Rodriguez en co wel de Casimir-krachten voor combinaties van oneindige platen afwisselend gemaakt van silicium en siliciumdioxide, voor nanodeeltjes en voor afwisselende platen en bollen.
Maar hun meest interessante analyse gaat over de krachten tussen teflon en silicium nanobolletjes ondergedompeld in ethanol. Door de radii van deze bollen zorgvuldig te kiezen, kan deze tegen de zwaartekracht in boven een oneindige plaat worden opgehangen. Het blijkt dat de krachten tussen de deeltjes afstotend zijn bij scheidingen dichterbij dan 100 nm, maar aantrekkelijk worden naarmate de afstand groter wordt.
Het is duidelijk dat dit een fascinerende situatie is waarin de bollen een stabiele, niet-aanrakende dicluster zouden moeten vormen. Bovendien is dit een experiment dat tegenwoordig relatief eenvoudig kan worden uitgevoerd, mits de grootte van de nanodeeltjes met de vereiste precisie kan worden gecontroleerd.
Dat zijn spannende dingen, maar deze experimenten zullen moeilijk zijn. Het MIT-team erkent dat het berekenen van zelfs het teken van de Casimir-kracht in complexe geometrieën berucht lastig is.
Dat komt deels omdat Casimir-krachten niet additief zijn zoals conventionele krachten. Dus als er met meer dan één kracht rekening moet worden gehouden, neemt de complexiteit van de berekeningen snel toe. (In dit geval zijn er de afstotende en aantrekkende krachten tussen de bollen en de ophangkracht over de oneindige plaat.)
Daarom is het niet mogelijk om het effect eenvoudig verder te veralgemenen, misschien om een hele laag stabiele nanodeeltjes te creëren. Of dat soort stabiel 2D Casimir kristal überhaupt mogelijk is, is niet bekend.
Maar het MIT-team zegt dat deze opstelling van teflon-silicium nanodeeltjes een goed startpunt zou moeten zijn voor experimenteel onderzoek. Veel geluk voor hen!
Een vraag die het team in dit artikel niet behandelt, is waarvoor Casimir-moleculen en -kristallen nuttig kunnen zijn. Eventuele suggesties worden dankbaar ontvangen.
Referentie: arxiv.org/abs/0912.2243 : Niet-aanrakende diclusters van nanodeeltjes gebonden door afstotende en aantrekkelijke Casimir-krachten