Ερευνητές του Institute of Science Tokyo παρείχαν την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι η έμφραξη είναι μια μη ισορροπιακή μετάβαση φάσης, μελετώντας υπεραγώγιμες δίνες.
Χρησιμοποιώντας ένα νέο πρωτόκολλο μέτρησης δύο βημάτων, διέκριναν την έμφραξη από τη συμβατική καθήλωση των δινών και ανέδειξαν κοινή κρίσιμη συμπεριφορά ανάμεσα στην έμφραξη και την αποκαθήλωση. Έτσι ανοίγουν νέους δρόμους για την κατανόηση, την πρόβλεψη και τον έλεγχο των αποφράξεων σε ποικίλα επιστημονικά και τεχνικά συστήματα.
Ένα φαινόμενο με ευρεία εμβέλεια
Η έμφραξη είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο κινούμενα σωματίδια συναντούν στενώσεις που περιορίζουν τη διέλευσή τους, επιβραδύνοντας ή σταματώντας εντελώς την κίνηση. Παρατηρείται σε πολλά συστήματα, όπως τα κοκκώδη υλικά, οι συσκευές διήθησης, οι βιομηχανικοί αγωγοί και τα βιολογικά δίκτυα μεταφοράς. Η κατανόηση του πώς και του γιατί συμβαίνει είναι απαραίτητη για την αποφυγή αποφράξεων και τη διατήρηση της αποτελεσματικής μεταφοράς.
Παρά την ευρεία εμφάνισή της, οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν τη μετάβαση από τη συνεχή ροή στην πλήρη έμφραξη παραμένουν ατελώς κατανοητοί. Προηγούμενες μελέτες προέβλεπαν ότι η μετάβαση αυτή αποτελεί μη ισορροπιακή μετάβαση φάσης, στην οποία ο χρόνος που απαιτείται για την επίτευξη σταθερής κατάστασης ροής ή πλήρους απόφραξης αποκλίνει κοντά σε ένα κρίσιμο σημείο. Η πειραματική επιβεβαίωση αυτής της πρόβλεψης έλειπε όμως.
Πειραματική απόδειξη από υπεραγώγιμες δίνες
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον πρώην μεταπτυχιακό φοιτητή Takahide Minemura και τον ομότιμο καθηγητή Satoshi Okuma του Τμήματος Φυσικής του Institute of Science Tokyo παρείχε την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι η έμφραξη είναι μη ισορροπιακή μετάβαση φάσης. Η μελέτη διερεύνησε την κρίσιμη δυναμική υπεραγώγιμων δινών που οδηγούνται από συνεχές ρεύμα (DC) και δημοσιεύθηκε στο Communications Physics στις 25 Σεπτεμβρίου 2026.
Ο Okuma εξηγεί:
«Η έμφραξη μπορεί επίσης να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα σε βιομηχανικές μονάδες, σε αγωγούς υποδομών και σε βιολογικά συστήματα μεταφοράς, όπως τα αιμοφόρα αγγεία. Παρότι είχε προβλεφθεί σε προσομοίωση ότι η μετάβαση από μια κατάσταση ροής σε μια πλήρως φραγμένη κατάσταση αποτελεί μη ισορροπιακή μετάβαση φάσης, η πειραματική επαλήθευση παρέμενε άπιαστη. Αυτό ήταν το βασικό κίνητρο της μελέτης μας».
Διαχωρισμός της έμφραξης από την καθήλωση
Η ομάδα εξέτασε υπεραγώγιμες δίνες που κινούνται μέσα από λεπτά υμένια άμορφου μολυβδαινίου-γερμανίου (MoGe) υπό εφαρμοσμένο συνεχές ρεύμα, όπου τα ελαττώματα του υλικού λειτουργούσαν ως θέσεις καθήλωσης. Οι εγκλωβισμένες δίνες μπορούν να σχηματίσουν στενώσεις που εμποδίζουν την κίνηση των άλλων δινών, προκαλώντας έμφραξη.
Για να διακρίνουν το φαινόμενο αυτό από τη συμβατική καθήλωση, ανέπτυξαν ένα τροποποιημένο πρωτόκολλο μέτρησης δύο βημάτων, με διαδοχικές εφαρμογές ρεύματος σε παράλληλες ή αντίθετες κατευθύνσεις. Μετρώντας την τάση που εξαρτάται από τον χρόνο, παρακολούθησαν την κίνηση των δινών και διαχώρισαν τη γρήγορη χαλάρωση που σχετίζεται με την έμφραξη από την πιο αργή χαλάρωση που σχετίζεται με την καθήλωση.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο χρόνοι χαλάρωσης αυξήθηκαν σημαντικά και ακολούθησαν απόκλιση νόμου δύναμης καθώς το ρεύμα πλησίαζε μια κρίσιμη τιμή. Ταυτόχρονα, το κρίσιμο ρεύμα για την έμφραξη συνέπιπτε με το ρεύμα αποκαθήλωσης εντός της πειραματικής αβεβαιότητας. Επιπλέον, οι κρίσιμοι εκθέτες και των δύο μεταβάσεων ήταν παρόμοιοι με τις προβλέψεις για την κλάση καθολικότητας της δισδιάστατης κατευθυνόμενης διήθησης, που είναι ένα είδος μη ισορροπιακής μετάβασης απορρόφησης.
Τα ευρήματα αυτά δείχνουν ότι η έμφραξη και η αποκαθήλωση μοιράζονται το ίδιο κρίσιμο σημείο και παρουσιάζουν συνεπή κρίσιμη συμπεριφορά, παρότι αποτελούν διαφορετικές δυναμικές διαδικασίες.
Επέκταση πέρα από τους υπεραγωγούς
Πέρα από την υπεραγωγιμότητα, τα ευρήματα παρέχουν μια βάση για την κατανόηση της έμφραξης σε ποικίλα συστήματα. Σύμφωνα με τον Okuma: «Η κατανόηση, η πρόβλεψη και ο έλεγχος της έμφραξης είναι σημαντικά σε όλους τους επιστημονικούς και μηχανικούς κλάδους. Τα ευρήματα της μελέτης μας μπορεί να βοηθήσουν στον προσανατολισμό μελλοντικών μελετών για την παρεμπόδιση της ροής σε κοκκώδη υλικά, κολλοειδή, ενεργή ύλη και άλλα συστήματα όπου η συλλογική κίνηση μπορεί να φραγεί».
Στο μέλλον, περαιτέρω έρευνα θα μπορούσε να διερευνήσει πώς μεταβάλλεται αυτή η κρίσιμη δυναμική σε διαφορετικά υλικά και περιβάλλοντα μεταφοράς. Τελικά, μια βαθύτερη κατανόηση της μετάβασης από τη ροή στην απόφραξη θα μπορούσε να στηρίξει πιο αποτελεσματικές στρατηγικές για την πρόβλεψη και τον έλεγχο της έμφραξης σε βιομηχανικές διεργασίες, υποδομές και βιολογικά συστήματα μεταφοράς.
