کنترل و جداسازی سیالات با نور مرئی
مجله علمی ایلیاد - مهندسین MIT سیستم جدیدی ساخته‌اند که از نور برای کنترل حرکت آب بر روی سطوح استفاده می‌کند. این پیشرفت ممکن است درها را بر روی تکنولوژی‌هایی مانند دستگاه‌های تشخیصی میکروسیالی باز کند که در آن‌ها کانال‌ها و شیرها می‌توانند برنامه‌ریزی دوباره شوند و یا می‌تواند در دکل‌های حفاری برای جداسازی آب از نفت مورد استفاده قرار گیرد.
سیستم جدیدی که توسط «کریپا وارانسی»، دانشیار مهندسی مکانیک دانشکده‌ی مهندسی، «گرت مک‌کینلی»، پروفسور آموزش نوآوری، «گیبوم کوون»، دانشجوی سابق فوق دکتری، «ویویا پانچاناتان»، فارغ‌التحصیل دانشگاه MIT، «سعید محمودی»، دانشمند محقق سابق و «محمد گوندال»، در دانشگاه نفت و معدن ملک فهد عربستان سعودی توسعه یافته است در مجله‌ی Nature Communications به چاپ رسیده است.
هدف اولیه‌ی پروژه پیدا کردن راهی برای جداسازی آب از نفت بوده است که به‌عنوان مثال می‌توان به تصفیه‌ی مخلوط کف‌آلود آب شور و نفت خام استخراج شده از چاه‌های نفت اشاره کرد. هر چقدر این مخلوط‌ها بیشتر با هم آمیخته شده باشند، جداسازی آن‌ها مشکل‌تر است. برخی اوقات برای این کار از روش‌های الکترواستاتیک استفاده می‌شود، در حالی که در صورت شور بودن زیاد آب، که معمولاً اینچنین است، این روش بسیار انرژی‌بر است. به جای این روش مهندسین به دنبال استفاده از سطوح «پاسخ دهنده به نور» هستند که در آن واکنش آب با در معرض نور قرار گرفتن تغییر می‌کند.
با ساختن سطوحی که آب می‌تواند در اثر نور با آن‌ها ایجاد فعل و انفعالات کند، مشخصه‌ای که به نام «ترشوندگی» شناخته می‌شود، گروه محققین دریافتند که می‌توانند با یکی کردن قطرات منفرد آب و پخش آن‌ها بر روی سطوح، به‌طور مستقیم نفت را از آب جدا کنند. هر چه قطرات آب بیشتر با یکدیگر ترکیب شوند، بیشتر از نفت جدا می‌شوند. مواد پاسخ دهنده به نور به‌طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته و استفاده می‌شوند؛ یکی از مثال‌های آن ترکیب فعال دی‌اکسید تیتانیوم در اکثر عینک‌های آفتابی است که به نام «تیتانا» شناخته می‌شود. البته اکثر این مواد که تیتانا نیز جزء آن‌ها است، اصولاً به نورهای ماوراء بنفش واکنش نشان می‌دهند و به سختی به نورهای مرئی واکنش نشان می‌دهند.
با این حال، فقط 5 درصد اشعه‌ی آفتاب در بازه‌ی ماوراء بنفش قرار دارد. بنابراین مهندسین راهی یافته‌اند تا بتوان با ایجاد تغییراتی در سطح تیتانا، آن را نسبت به نورهای مرئی نیز حساس کنند. مهندسین این کار را در ابتدا با استفاده از روش لایه‌نشانی متعدد برای ساختن لایه‌ای از ترکیب ذرات پلیمر و تیتانا بر روی لایه‌ی شیشه‌ای انجام دادند. آن‌ها در مرحله‌ی بعد ماده‌ی به‌دست آمده را با پوششی از رنگ آلی پوشاندند. سطح بدست آمده به‌شدت به نور مرئی حساس بود و در صورت قرار گیری در معرض نور خورشید، ترشوندگی آن به میزانی بیش از تیتانا تغییر می‌کرد. وقتی این صفحه توسط نور خورشید فعال شد، نشان داد که برای خارج کردن مخلوط آب و نفت از حالت «امولسیونی» بسیار کارا است و می‌تواند آب و نفت را از یکدیگر جدا کند.
وارانسی می‌گوید: «در واقع ما از کارهای انجام شده در فتوولتائیک‌ها الهام گرفتیم، جایی که از حساسیت رنگ برای بهبود کارایی جذب پرتوهای خورشیدی استفاده می‌شود. جفت کردن رنگ با ذرات تیتانا برای تولید منتقل‌کننده‌های بار در اثر پرتوهای نوری استفاده شده است. این کار اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سطح و مایع در برابر نور می‌سازد و منجر به تغییر مشخصات ترشوندگی می‌شود.» کوون که اکنون دانشیار دانشگاه کانزاس است می‌گوید: «آب شور در اثر نور بر روی سطوح پخش می‌شود در صورتی که نفت این‌گونه نیست. ما دریافتیم که تقریباً آب همه‌ی دریاها در اثر نور بر روی سطوح پخش می‌شوند و از نفت خام جدا می‌شوند.»
همانطور که محققین طی تعدادی آزمایش نشان دادند، این روش همچنین برای حرکت دادن قطرات آب از روی یک سطح نیز استفاده شد. با تغییر دلخواه ترشوندگی مواد با استفاده از پرتوی متحرک نور، یک قطره می‌تواند از منطقه‌ای که ترشوندگی بیشتری دارد حرکت کند و می‌توان با دقت بالایی قطره را به سمت مطلوب حرکت داد. این سیستم‌ها می‌توانند به منظور ساخت دستگاه‌های میکروسیالی طراحی شوند. حرکت مایع، به‌عنوان مثال حرکت یک نمونه‌ی خون در دستگاه آزمایشگاهی، به‌طور کامل توسط الگوی نور تابیده شده بر آن قابل کنترل است.
نوشته: دیوید ال. چاندلر
ترجمه: امید محمدی - مجله علمی ایلیاد