חוקרים בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון פיתחו קבוצה חדשה של מטא-זורמים - נוזלים מלאכותיים בעלי תכונות שאינן מתקיימות בחומרים טבעיים. את המחקר הובילו הדוקטורנט אופק פרץ, פרופ' אמיר גת ופרופ' ספי גבלי מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון. מאמר על המחקר פורסם ב-Nature Communications, וכעת בחרו בו עורכי כתב העת המדעי כאחד מ-50 המחקרים החשובים ביותר שהתפרסמו בו לאחרונה.
בסרטון: פעולת המערכת בתגובה לשינוי לחץ חיצוני
מטא-זורמים הם תת-קבוצה של מטא-חומרים – חומרים מלאכותיים המפגינים תכונות חדשות שאינן קיימות בחומרים טבעיים, למשל "מסה שלילית", פיזור אור, שיכוך רטט וגמישות יתירה. במאמר החדש מציגים חוקרי הטכניון מטא-זורמים חדשים שאחת מתכונותיהם הייחודיות היא יכולתם לקצור ביעילות אנרגיה מהסביבה ולאגור אותה בתנאים אטמוספריים. החוקרים אמרו כי לפיתוח זה משמעויות יישומיות שונות, ובראשן יצירת תחליף לא מזהם לנוזלי קירור המשמשים במזגנים ובמערכות קירור אחרות.
ביצועיהן של מערכות קירור – יעילותן, טווח פעולתן והשלכותיהן הסביבתיות - תלויים בתכונותיהם התרמודינמיות של אותם נוזלים. חוקרי הטכניון פיתחו נוזלים בעלי תכונות תרמודינמיות משופרות, כלומר נוזלים שאינם רק יעילים יותר, אלא גם מזהמים פחות. הנוזל שפיתחו חוקרי הטכניון מבוסס על קפסולות שבתוכן גז והן שקועות בנוזל אחר.
לדברי החוקרים, האינטראקציה בין שלושת מרכיבי המערכת קובעת את התכונות התרמודינמיות של המערכת כולה - המטא-זורם. העובדה שהקפסולות מולטי-סטביליות, כלומר יש להן כמה מצבי שיווי משקל יציבים, מקנה לנוזל תכונות תרמודינמיות ייחודיות, לרבות תפיסה ואגירה של אנרגיה בתנאים אטמוספריים (לחץ וטמפרטורה השוררים על פני כדור הארץ).
קירור הוא תחום פעילות הנחשב למזהם סביבתי גדול, וזאת בשל הנוזלים המשמשים בו. לכן מעריכים חוקרי הטכניון כי הפיתוח יתרום משמעותית להפחתת פליטות הזיהום הסביבתי ולצמצום חלקו של האדם בהתחממות הגלובלית. המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע.
*מטא-זורם בעל מצבי מספר רב של מצבי צפיפות יציבים. A – גרף לחץ צפיפות עבור מטא-זורם. תחילה (מצב 1) המערכת נמצאת בלחץ אטמוספרי ובצפיפות נומינלית, ואז מגדילים את הלחץ החיצוני הפועל על הנוזל וצפיפותו עולה (מצב 2). בשלב זה מקטינים חזרה את הלחץ החיצוני ללחץ אטמוספרי (מצב 3) והמערכת אינה חוזרת למצב הצפיפות הנומינלי. הבדל זה מתבטא במצב אנרגטי שונה של המערכת המאפשר אגירת אנרגיה בתוכה. על מנת לקצור את האנרגיה האגורה, מפעילים על המערכת תת-לחץ (מצב 4) אשר מקטין את צפיפות הנוזל ולבסוף מאפשר חזרה למצב ההתחלתי (מצב 1). B – מצבי האנרגיה השונים של המערכת כתלות בפרמוטציה ובלחץ החיצוני. C – תיאור סכמתי של מערכת הניסוי הכוללת בקר לחץ, מיכל נוזל צמיג ומיכל המכיל את המטא-זורם.
