تاریخچه و اهمیت علم و تکنیک واکیوم

ایده گاز رقیق شده که در مطلب واکیوم چیست؟ پیش از این در سایت توضیح داده شده است امروزه برای ما بسیار منطقی جلوه می کند. حتی وجود خلأ کامل می تواند شاید برای ما عادی به نظر برسد. اما در دوران باستان بیشتر فیلسوفانی که تلاش می کردند تا ماهیت جهان، ماده و آسمان را درک کنند فضای خالی از ماده را غیرممکن می دانستند. برای ارسطو (سال های 384 تا 322 پیش از میلاد مسیح) خلأ به لحاظ منطقی کاری غیرممکن بود و حتی در قرون وسطا متفکران مشهور آن روزگار از این باور در کل پیروی می کردند. تصور و مجادلات زمینه های کافی برای انکار وجود خلأ و یا امکان وجود آن را ایجاد می کرد. دانشمندان قرون وسطا از آن با عنوان خلأ ترسناک ( horror vacui) یاد می کردند که ماهیت امکان خلأ را انکار می کردند. خوشبختانه در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم میلادی به تحریک گالیله (1546ت-1642م) و افراد دیگر به موضوعاتی مانند مواد مانند وزن هوا، کار روی سیفون ها و پمپ های آب علاقه مند شدند و روش های تحقیق شروع به تغییر کرد. فلسفه طبیعی شروع به نشان دادن ابعاد جدیدی در تست ایده ها نشان داد با استفاده از آزمایش های طراحی شده دقیقی که چارچوب اثرمتقابل بین تئوری و آزمایش را نشان داد و علم پیشرفتی کرد که تا به حال نکرده بود.

داستان چگونگی تحقیق در زمینه دانش و فناوری واکیوم و شروع آن در قرن هفدهم و سپس توسعه آن در قرون هجدهم و نوزدهم میلادی در مقاله Madey (1983( و Andrade (1960) توضیح داده شده است. اولین اتفاقی که تاثیر ژرف گذاشت آزمایش توریسلی در سال 1643 بود که در شکل نشان داده شده است. یک لوله شیشه ای قوی که حدود 1 متر طول دارد و در یک انتها با جیوه بسته شده بود و موقتا با انگشتی انتهای باز آن نیز بسته شد در حالی که لوله را واژگون کردند و انتهای باز را را زیر سطح جیوه در ظرف قرار داد. در نتیجه مقداری از جیوه وارد ظرف جریان شد تا اینکه ستون جیوه در حدود 760 میلی متر بالای سطح در ظرف باقی ماند و فضای بالای آن در لوله ظاهرا دارای چیزی نیست که در اصل خلأ (واکیوم) است. ایجاد خلأیی را نشان می دهد (گرچه حال می دانیم که میزان بسیار کمی بخار جیوه و احتمالا بخار ناخالصی به ویژه آب وجود دارد) این دلیلی مستقیم مبنی بر فشار اتمسفر و اندازه گیری آن را در اثر بارومتر (هواسنج) فراهم کرد. ارتفاع عمودی ستون ثابت باقی می ماند حتی موقعی که لوله کج می شد یا کمی بالا می رفت و به بخش بالای سطح جیوه در ظرف کشیده می شد. لوله های بلندتری باز استفاده شد اما نتیجه یکسان بود و آب معرفی شده از زیر می توانست فضای خالی را پر کند. واکیوم ایجاد شده به این روش به عنوان خلأ توریسلیان توضیح داده می شود. این آزمایش انگیزه ای قوی برای دیگران شد و آن را چندین بار تکرار کردند. پاسکال کسی که سلسله آزمایش هایی را سازماندهی کرد و این وسیله را در آتشفشان پوی د دوم  در آورژن فرانسه در ارتفاع یک کیلومتری امتحان کرد که کاهش تصاعدی در ستون جیوه نشان داد  و در ارتفاع حدود 75 میلیمتر است. این آزمایشی اساسی بود که وجود فشار را تایید می کرد که به خاطر هوا و منشا آن به عنوان وزن هوا در بالای اتمسفر است.

اولین پمپ هوای موفق که بعدتر پمپ واکیوم (پمپ خلأ) نامیده شد در حدود همین زمان بود که توسط فون گوئریکه در آلمان ساخته شد کسی که طرح پمپ های آب را برای هدف خاصی درست کرد. با بهبود چرم آب بندی شده تر پیستون با دیواره سیلندر و ترکیب سوپاپ ها به طور مناسب، او توانست هوا را از ظروف آب بندی شده حذف کند. عمل این پمپ ها در حرکت هوا مشابه به پمپ دوچرخه بود که آب بندی برعکس شده بود چون این کار توسط کشیدن پیستون به خارج نسبت به فشردن انجام می شده است. در پمپ ها و اجرای تحقیقات مختلف گوئریکه نمایش قابل توجهی را نشان داد که شامل نیمکره ماگدبورگ بود که به صورت کره مونتاژ می شد و خلأ می توانست فقط توسط کشش مخالف دو تیم اسب کشیده شوند. نیمکره های بزرگتر نمی توانستند جدا شوند تا موقعی که خلأ از بین برود.

توسعه تاریخی پمپ واکیوم تا به امروز توسط Hablanian در کتاب خودش در سال 1997 و مقاله اش در سال 1984توضیح داده شده است که رفرنس بسیار مهمی است. دامنه پمپ های مدرن در دامنه ای گسترده ممکن است براساس مبانی کار به سه نوعی که در پی می آید تقسیم شود: که مستلزم جابجایی گاز توسط عملیات مکانیکی تکراری است که توسط حرکت مولکولی هدایت شده در گاز القا شده بود با اثرمتقابلی که با جریانات مایع با سرعت بالا یا سطوح جامد داشتند و آنهایی که مولکول ها در سطوحی با تراکم برودتی و فرآیندهای سطحی دیگر دارند. Redhead (1984) مقیاس فشار واکیوم را از ابتدا تا به دوران مدرن و 1999 تاریخ وسایل واکیوم را بررسی کرده است. در قرون هجدهم و نوزدهم پیشرفت هایی در دانش و تکنیک واکیوم تحقیق در مورد بسیاری از پدیده ها مانند هدایت گرمایی در گازها، تخلیه الکتریکی با فشار کم (مطالعه نوری متکی بر مبانی برای درک ساختار اتمی) و کشف اشعه ایکس و الکترون در قرن نوزدهم را ممکن کرد. در پایان این قرن، تولید لامپ های برقی اولین کاربرد صنعتی در مقیاس وسیع برای استفاده از تکنیک واکیوم بود.

در اوایل قرن نوزدهم سوپاپ گرمایونی در فرم های مختلف از جریان های توانمندی است که دستکاری شدند و باعث توسعه علم الکترونیک و به دنبال آن ارتباطات رادیویی و بسیاری از وسایل دیگر شدند. در طی این دوره از خلأ در تحقیقات علمی کاربرد زیادی یافت که شامل شتاب دهنده های ذره باردار اولیه و میکروسکوپ های الکترونی است. جنگ جهانی دوم فناوری های بسیاری به سبب واکیوم ایجاد شدند و اولین کامپیوترهای الکترونیک نیز به لطف لامپ های خلا بود که بروز پیدا کردند. در طی این سال ها پیشرفتی در زمینه الکترونیک نیمه رسانا ایجاد شد و متعاقبا در میکروالکترونیک و الکترونیک نوری فقط ممکن است در ارتباط با توسعه فناوری واکیوم و روش های ساخت اولتراکلین است. در دوره مشابهی چشم انداز این فناوری با پیشرفت کلی فناوری گسترش یافت تا اینکه هم اکنون بخشی بزرگی از فرآیندهای تولید صنعتی از لامپ های تلویزیون، آلیاژهایی با خلوص بالا، دارو و پوشش های نوری ایجاد شد. در تحقیقات علمی، پیشرفت در زمینه هایی مانند فیزیک ذرات بنیادی، همجوشی هسته ای، علوم تسطیح، لیزرهای اشعه ایکس و نانوتکنولوژی همه در بعضی روش ها وجود دارند که خلق و کنترل شرایط مدیون واکیوم است.

بدیهی است واکیوم (خلأ) برای اشیایی در دامنه ای از کاربردهای وسیع لازم است که این روزها فعالیت های پذیرفته شده در تحقیقات، توسعه و ساخت است . فناوری توانمندی است که قطعه ای از پیشرفت فناوری در کل در زیربنای کاری، ارتباطات، مسافرت،زندگی روزمره و فراغت است. کامپیوترها که ایجاد شدند که سخت افزاری هستند که مدیون وجود فناوری واکیوم می باشند. پس علم خلأ مقدمه ای برای لامپ برقی، تحقیقات علمی و توسعه در آزمایشگاه های صنعتی تولیدکنندگان فرآورده های ویژه ای شده است و تجهیزات واکیوم بخشی مهم و غالب قابل بحث در پیشرفت علم و فناوری واکیوم است.