Reversal in Thermally Driven Rotation of Chiral Liquid Crystal Droplets

غالبًا ما يُنظر إلى الحرارة على أنها مجرد شيء يدفئ غرفة أو يطهو وجبة، وهي شكل من أشكال الطاقة التي تتبدد وتتلاشى. ومع ذلك، في العالم المجهري لبعض السوائل، يمكن تطويع الحرارة للقيام بشيء أكثر إثارة للدهشة: يمكنها جعل الأشياء تدور. تعتمد هذه الظاهرة على فئة خاصة من المواد تسمى البلورات السائلة الكيرالية (Chiral Liquid Crystals). هذه المواد تتدفق مثل السائل ولكن جزيئاتها مرتبة بطريقة محددة ومنظمة، تمامًا مثل حشد من الناس يواجهون جميعًا نفس الاتجاه. وعندما تكون هذه الجزيئات "كيرالية"، مما يعني أن لها "يدوية" (handedness) مثل اليد اليسرى أو اليمنى، فإنها تكسر تناظرًا أساسيًا في الطبيعة. هذا التناظر المكسور يسم يسمح لفرق بسيط في درجات الحرارة — وهو تدرج حيث يكون أحد الجوانب أكثر دفئًا من الآخر — بتوليد قوة لولبية. لعقود من الزمن، عرف العلماء أن هذه الحرارة يمكن أن تقود دورانًا مستمرًا، وهي عملية سميت على اسم الفيزيائي الذي لاحظها لأول مرة، ليمان (Lehmann). إن القدرة على تحويل الحرارة المهدرة منخفضة الدرجة مباشرة إلى حركة ميكانيكية تقدم وعدًا مغريًا لإنشاء آلات صغيرة ذاتية التشغيل يمكنها العمل دون بطاريات أو عناصر تحكم خارجية معقدة.

ومع ذلك، ظل سؤال حاسم دون إجابة: ما الذي يتحكم بالضبط في اتجاه هذا الدوران؟ اقترح المنطق التقليدي أن الاتجاه ثابت بفعل "يدوية" الجزيئات نفسها أو اتجاه تدفق الحرارة. فإذا كانت الجزيئات يسارية، ستدور القطرة في اتجاه واحد؛ وإذا كانت يمينية، ستدور في الاتجاه الآخر. كانت الفكرة هي أن الحرارة ببساطة تدفع الجزيئات في اتجاه يمكن التنبؤ به وثابت. لكن دراسة حديثة قلبت هذا الافتراض، وكشفت عن واقع أكثر تعقيدًا وقابلية للضبط. فقد اكتشف الباحثون أن اتجاه الدوران في قطرات البلورات السائلة هذه ليس ثابتًا على الإطلاق. بدلاً من ذلك، يمكن أن ينقلب وينعكس ببساطة عن طريق تغيير حجم القطرة أو درجة حرارة البيئة، حتى عندما تظل الجزيئات ومصدر الحرارة متطابقين تمامًا.

قام الفريق، بقيادة باحثين من جامعة واسيدا وجامعة هيروشيما، باستكشاف هذا السلوك باستخدام قطرات صغيرة من خليط بلوري سائل كيرالي معلق في الجلسرين، وهو سائل شفاف ولزج. واختاروا نوعًا محددًا من البلورات السائلة المعروفة باسم 5CB أو 6CB أو 7CB، وهي مواد شائعة في تكنولوجيا الشاشات، ممزوجة بكمية صغيرة من مادة مضافة كيرالية لمنحها يدويتها. ولضمان دوران القطرات بحرية دون الالتصاق بالوعاء الزجاجي، عالجوا الأسطح الزجاجية لتكون محبة للماء (hydrophilic) للغاية، بينما ظلت قطرات البلورات السائلة كارهة للماء (hydrophobic). سمح هذا الإعداد للقطرات بالطفو بالقرب من الجزء العلوي من الوعاء، ملامسة الزجاج عند نقطة واحدة فقط، مما جعلها تطفو فعليًا. ومن خلال تسخين الجزء العلوي من الوعاء وتبريد الجزء السفلي، خلقوا تدرجًا حراريًا رأسيًا مستقرًا.

عندما راقبوا هذه القطرات الطافية تحت المجهر، رأوا شيئًا غير متوقع. بدأت القطرات في الدوران المستمر، مدفوعة فقط بفرق درجات الحرارة. وللتأكد من أن هذا دوران حقيقي للقطرة بأكملها وليس مجرد دوامة داخل السائل أو تأثير سطحي، أضاف الباحثون جزيئات بلاستيكية صغيرة إلى السائل. وراقبوا هذه الجزيئات وهي تتحرك مع سطح القطرة، مما أثبت أن القطرة بأكملها كانت تدور كجسم صلب. أكد هذا أن الحرارة يتم تحويلها مباشرة إلى عمل ميكانيكي.

جاءت المفاجأة الحقيقية عندما قام الباحثون بتغيير حجم القطرات. وجدوا أن اتجاه الدوران يعتمد كليًا على نصف قطر القطرة. القطرات الأكبر دارت في اتجاه واحد، بينما دارت القطرات الأصغر في الاتجاه المعاكس تمامًا. كان هناك "نصف قطر تبديل" محدد حيث يتوقف الدوران ثم ينعكس. بالنسبة للمواد التي اختبروها، كان هذا الحجم الحرج حوالي 10 ميكرومتر. فالقطرة الأكبر قليلاً من هذا الحجم ستدور عكس عقارب الساعة، بينما القطرة الأصغر قليلاً ستدور مع عقارب الساعة. حدث هذا الانعكاس رغم أن الجزيئات في الداخل كانت متطابقة وتدرج الحرارة لم يتغير.

اختبر الباحثون أيضًا ما يحدث عند تغيير درجة حرارة النظام بأكمله. وجدوا أن اتجاه الدوران يمكن أن ينقلب ببساطة عن طريق تسخين أو تبريد البيئة. فالقطرة التي كانت تدور عكس عقارب الساعة عند درجة حرارة منخفضة ستتحول إلى الدوران مع عقارب الساعة مع ارتفاع درجة الحرارة، بشرط أن تكون القطرة قريبة من حجم التبديل الحرج ذلك. ارتبط هذا الاعتماد على درجة الحرارة بـ "النظام" (order) الخاص بالجزيئات. في البلورات السائلة، لا تكون الجزيئات مصطفة بشكل مثالي؛ بل لديها درجة من الاصطفاف تسمى معامل الترتيب القياسي (scalar order parameter). ومع ارتفاع درجة الحرارة، تؤدي الاضطرابات الحرارية إلى جعل الجزيئات أقل انتظامًا. وأظهرت الدراسة أن هذا التغيير في النظام الجزيئي يغير القوى الداخلية المتولدة عن الحرارة، مما يؤدي في النهام إلى قلب إشارة قوة الالتواء وعكس اتجاه الدوران.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الفريق إلى البنية الداخلية للقطرات. القطرات ليست موحدة؛ فهي تحتوي على ترتيب معقد من الجزيئات مع عيب مركزي، أو خط حيث ينهار النظام الجزيئي. اقترح الباحثون أن الحرارة تولد قوتي التواء متنافستين داخل القطرة. تأتي إحدى القوتين من كتلة البلور السائل، أي الجسم الرئيسي للقطرة، بينما تأتي القوة الأخرى من خط العيب المركزي. تعمل هاتان القوتان في اتجاهات متعاكسة. في القطرة الكبيرة، تكون كتلة السائل هي المهيمنة، لذا تفوز القوة الناتجة عن الجسم الرئيسي، وتدور القطرة في اتجاه معين. أما في القطرة الصغيرة، فيشغل خط العيب المركزي نسبة أكبر من الحجم، فتفوز قوته المعارضة، وتدور القطرة في الاتجاه الآخر. وتغير درجة الحرارة قوة هذه القوى عن طريق تغيير مدى اصطفاف الجزيئات، مما يغير التوازن ويسبب الانعكاس.

كما اختبر الباحثون ما إذا كانت نظريات أخرى يمكن أن تفسر هذا السلوك. فحصوا مفهومًا يُعرف باسم تأثير "أكوبيان-زيلدوفيتش" (Akopyan–Zel'dovich)، الذي يشير إلى أن تدرجات التوجه الجزيئي يمكن أن تقود الدوران. ومع ذلك، أظهر تحليلهم أن هذا التأثير لا يمكن أن يفسر حالات الانعكاس الملحوظة، بل وقد يكون ممنوعًا بموجب قوانين الديناميكا الحرارية في ظل هذه الظروف. وبدلاً من ذلك، دعمت البيانات بقوة نسخة موسعة من تأثير "ليسلي" الحراري التقليدي، والذي يصف كيف تخلق الحرارة عزم دوران في السوائل الكيرالية. وكان المفتاح هو أن قوة وعزم الدوران ليسا ثوابت ثابتة، بل يعتمدان على معامل الترتيب القياسي. ومع تغير النظام الجزيئي مع درجة الحرارة، يتغير الاقتران بين الحرارة والحركة، مما يسمح بضبط اتجاه الدوران.

يغير هذا الاكتشاف كيفية رؤية العلماء للعلاقة بين الحرارة والحركة في المواد اللينة. في السابق، كان يُنظر إلى الاقتران الميكانيكي الحراري على أنه خاصية ثابتة للمادة، تحددها التركيبة الكيميائية واليدوية الجزيئية. وتظهر هذه الدراسة أن هذا الاقتران هو في الواقع خاصية ناشئة تعتمد على حالة المادة. ومن خلال التحكم في حجم القطرة أو درجة الحرارة المحيطة، يمكن للمرء التحكم في اتجاه الدوران دون تغيير المادة نفسها. وهذا يشير إلى أن معامل الترتيب القياسي — أي درجة الاصطفاف الجزيئي — ليس مجرد واصف سلبي لحالة المادة، بل هو عامل تصميم نشط. يمكن استخدامه لبرمجة سلوك المواد اللينة، مما يسمح بإنشاء آلات مجهرية يمكنها تغيير حركتها استجابةً لبيئتها.

تمتد آثار هذا الاكتشاف إلى ما وراء المختبر. فهي تقدم إطارًا جديدًا لحصاد الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، وهي طاقة وفيرة في بيئتنا ولكن يصعب استخدامها. ومن خلال تصميم مواد لينة يمكنها تحويل فروق درجات الحرارة الضئيلة إلى حركة ميكانيكية محكومة، قد يكون من الممكن إنشاء محركات مجهرية ذاتية التشغيل أو أنظمة نقل تعمل دون مصادر طاقة خارجية. إن القدرة على عكس اتجاه الحركة ببساطة عن طريق ضبط درجة الحرارة أو الحجم تفتح آفاقًا جديدة للأنظمة التكيفية التي يمكنها الاستجابة لمحيطها. وتثبت الدراسة أن فيزياء الحركة المدفوعة بالحرارة هي أغنى وأكثر قابلية للتحكم مما كان يُعتقد سابقًا، مما يحول تدرج درجة الحرارة البسيط إلى أداة متعددة الاستخدامات لهندسة مستقبل الروبوتات اللينة وتحويل الطاقة.