Titreşimler her yerdedir – makinelerin uğultusundan ulaşım sistemlerinin gürültüsüne kadar. Genellikle, bu rastgele hareketler, herhangi bir kullanılabilir iş üretilmeden boşa harcanır ve dağıtılır.
Son zamanlarda, bilim adamları, kaotik titreşimleri yön harekete geçiren mekanik sistemler olan “mandal sistemleri” tarafından büyülenmişlerdir. Biyolojide moleküler motorlar, rastgele moleküler çarpışmaları amaçlı hareketlere dönüştürerek temel süreçleri yönlendirmek için canlı hücrelerde bu başarıyı elde eder. Bununla birlikte, büyük ölçekte, bu mandal sistemleri her zaman dişliler veya eşit olmayan yüzeyler gibi yerleşik asimetriye güvenmiştir.
Doktora. Bilim ve Mühendislik Enstitüsü’nün öğrencisi, Bay Junpei Oguni ile birlikte, Doshisha Üniversitesi Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimleri Bölümü’nden Profesör Daigo Yamamoto ve Profesör Akihisa Shioi, dünyanın ilk simetrik cephaneliğini göstermektedir.
Yayınlandı Kaos Çalışma, rastgele titreşen parçacıklara yerleştirilen basit bir dairesel diskin, simetriyi kendiliğinden kırabileceğini ve tek bir yönde nasıl dönebileceğini açıklar.
“Bir mandal motoru oluşturmak için özel bir yapıya ihtiyacınız olmadığını gördük,” diye açıklıyor Bayan Hatatani. “Basit bir disk, herhangi bir asimetri olmadan, simetriyi kendi başına kırabilir ve bir yönde dönmeye başlayabilir.”
Aynı şeyi göstermek için araştırmacılar, titreşimli bir tabakta bulunan sığ bir cam boncuk tabakasına dairesel bir akrilik disk yerleştirdiler. Titrendiğinde, boncuklar dairesel diskle çarpışarak rastgele sıçradı. Ancak amaçsızca sallanmak yerine, disk hafifçe eğilmeye başladı ve daha sonra tek bir yönde dönmeye başladı. Bu yönlendirilmiş spin, parçacık hareketinin altta yatan rastgeleliğine rağmen birkaç saniye boyunca devam etti.
Bu etkinin altında yatan prensip, spontan simetri kırılmasında yatmaktadır. Başlangıçta, boncuklar diskin altına eşit olarak dağıtılır, ancak titreşim devam ettikçe, bir tarafta yavaş yavaş birikir ve diskin eğilmesine neden olurlar. Bu eğim, sırayla, parçacıkların eşit olmayan dağılımını güçlendirir ve sistemi kararlı bir eğirme durumuna kilitler.
Bunun arkasındaki fiziği daha da teyit etmek için, araştırmacılar bir eğirme tepesinin önlemine dayanan matematiksel bir model inşa ettiler. Bu model aynı deneysel sonuçları yeniden üretti ve rastgele hareket eden parçacıkların çarpışmalarının spin’i bir yönde sürdürmek için yeterli olduğunu doğruladı.
“Temel olarak, sistem kendini organize ediyor,” diyor Prof. Shioi. “Parçacıkların rastgeleliği, diskin dönüşünü yönlendiren düzen kaynağı haline gelir.”
Keşif, yeniliğinin ötesinde, gelecekteki yenilikleri de ima ediyor. Gürültülü titreşimler günlük yaşamda bol miktarda bulunur. Düzenlenmiş hareketin çıkarılması için bu rastgele enerjiyi kullanmak yeni enerji hasat teknolojilerine ilham verebilir. Bu aynı zamanda harici enerji kaynaklarına ihtiyaç duymadan küçük cihazlara veya sensörlere güç sağlamak gibi gerçek dünya uygulamalarına da uzanabilir.
Ayrıca, çalışmanın fizikte de geniş etkileri vardır. Simetrinin kendisinin hareket üretmek için kendiliğinden kırılabileceğini göstererek, dengesiz sistemler ve aktif madde hakkındaki anlayışımızı derinleştirir.
İleriye baktığımızda, araştırmacılar, çalışmalarından elde edilen bilgilerlerin yenilikçi teknolojilerin yolunu açabileceğine inanıyorlar – mühendislerin farklı ölçeklerde her yerde bulunan arka plan gürültüsünden faydalı çalışmaları elde eden tasarım sistemlerini kullanıyorlar.
Prof. Shioi, “Genel olarak, çalışmamız, dış kontrol olmasa bile, düzenin bozukluktan çıkabileceği evrensel bir bilimsel ilkeyi vurgulamaktadır.”
