Ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology, Università tecnica di Darmstadt, e IBM Research Europe hanno recentemente proposto una nuova strategia per ottenere contemporaneamente occultamento e schermatura idrodinamica su microscala. Sebbene l'idea di occultare o proteggere gli oggetti sia in circolazione da un po' di tempo, in contrasto con altri metodi sviluppati in precedenza, la tecnica che hanno proposto consente ai fisici di passare dinamicamente tra questi due stati.

"Quando abbiamo iniziato con la nostra ricerca, eravamo a conoscenza di un lavoro in questa direzione che si basa su metamateriali porosi, "Steffen Hardt, che ha guidato il gruppo di ricerca alla TU Darmstadt, ha detto a Phys.org. "La nostra idea era che non hai bisogno di tali metamateriali se puoi iniettare slancio in una regione intorno all'oggetto da occultare/schermare. In effetti, ciò significa che si sovrappone al campo di flusso esterno un campo di flusso locale su misura. Di conseguenza, il campo di flusso totale (esterno e locale) esce in modo tale da ottenere l'occultamento o la schermatura."

Come parte dei loro studi precedenti, i ricercatori hanno sviluppato metodi per iniettare localmente quantità di moto usando quello che è noto come flusso elettroosmotico (cioè, movimento di liquidi tipicamente indotto da una tensione applicata attraverso un materiale poroso o altri condotti di fluido). L'obiettivo principale del loro nuovo studio era dimostrare un nuovo metodo per occultare/schermare gli oggetti in un flusso di fluido e rendere questa funzionalità adattiva in tempo reale, come non lo sono gli approcci precedentemente proposti basati sui metamateriali.

Il nuovo principio di occultamento/schermo è entrato in azione grazie a una stretta collaborazione tra Ph.D. studenti Evgeniy Boyko e Michael Eigenbrod, che ha elaborato la teoria, e Vesna Bacheva che ha effettuato gli esperimenti. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno posizionato un oggetto al centro di una camera microfluidica, formato da due piastre parallele separate da un piccolo spazio (poche decine di micrometri). Hanno quindi riempito la camera d'acqua e hanno applicato una differenza di pressione tra il suo ingresso e l'uscita. Ciò ha permesso loro di generare un flusso idrodinamico attorno all'oggetto.

"L'occultamento (facendo apparire il campo di flusso al di fuori di una certa regione intorno all'oggetto come se non ci fosse alcun oggetto) o la schermatura (eliminando le forze che il flusso esercita sull'oggetto) richiede un controllo accurato della velocità del fluido nella regione che circonda il oggetto, " disse Moran Bercovici, che ha guidato la parte del team al Technion. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo iniettando localmente quantità di moto usando un fenomeno elettrocinetico chiamato elettroosmosi ad effetto di campo".

Per ottenere il controllo capacitivo sulla carica superficiale locale, il team ha incorporato un elettrodo nella parte inferiore del dispositivo microfluidico e ne ha regolato il potenziale elettrico. Gli ioni di carica opposta contenuti nell'acqua schermavano la superficie, formando quello che è noto come un doppio strato elettrico.

"Applicando un campo elettrico esterno lungo il canale si esercita una forza sulle cariche mobili, che portano con sé il resto del liquido per interazione viscosa, " ha spiegato Hardt. "Questo effetto può essere pensato come un 'nastro trasportatore' posto in superficie, la cui velocità può essere controllata dal potenziale dell'elettrodo. La velocità indotta può essere modificata dinamicamente per passare da condizioni che producono occultamento e schermatura".

Sorprendentemente, il meccanismo di occultamento/schermo risultante dalla strategia utilizzata dal team può essere adattato in tempo reale. In altre parole, consente ai ricercatori di attivare e disattivare gli effetti di cloaki/scudo; o passare avanti e indietro tra le condizioni di occultamento e schermatura.

La nuova tecnica e il nuovo paradigma introdotti da questo team di ricercatori potrebbero avere implicazioni anche per altre aree della fisica. Ad esempio, potrebbe consentire ai fisici di nascondere gli oggetti in campi elettromagnetici o acustici.

Globale, il principio delineato nel recente articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , può essere utilizzato per determinare come un oggetto interagisce con un flusso di fluido (ad es. quale forza esercita il flusso sull'oggetto). Ciò potrebbe rivelarsi particolarmente utile per studiare gli effetti del flusso di fluidi sui sistemi biologici, come le cellule.

"Il principio che abbiamo usato per l'iniezione di quantità di moto in un flusso può essere molto raffinato se non utilizziamo solo un singolo elettrodo (come nel nostro recente articolo), ma una serie di elettrodi indirizzabili individualmente, " ha aggiunto Federico Paratore, da IBM Research Europe. "Ciò consentirebbe opportunità senza precedenti per modellare un campo di flusso, andando molto oltre le modalità di occultamento o schermatura."

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