More is less in unpercolated active solids
تُظهر الورقة ظاهرة غير بديهية في المواد الصلبة النشطة غير المتبادلة، حيث يؤدي زيادة النشاط المجهري إلى تلاشي الاستجابة على المقياس الكلي لأن النشاط العالي يحفز أنماطاً موضعية غير تآلفية تدمر البصمات واسعة النطاق، لا سيما في الهياكل غير المتصلة أو المتخلخلة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
مفارقة الجسر "خارق القدرة": لماذا قد يعني المزيد من النشاط قوة أقل
تخيل أنك تبني جسراً. في عالم المواد "الخاملة" العادية — مثل الفولاذ في ناطحة سحاب أو الخشب في منزل — هناك قاعدة بسيطة للغاية: كلما كانت الأجزاء أكثر صلابة، كان الجسر أكثر صلابة. إذا استبدلت عارضة خشبية متذبذبة بأخرى فولاذية صلبة، فسيصبح الجسر بأكم له أكثر قوة. هذا قانون أساسي في الفيزياء يسمى "مبدأ لوشاتيليه": إذا حاولت جعل النظام أكثر جساءة، فإنه يستجيب بأن يصبح أكثر استقراراً.
لكن مجموعة من العلماء اكتشفت "خللاً في المصفوفة". لقد صنعوا نوعاً جديداً من المواد يسمى المادة الصلبة النشطة، وفي هذه المواد، تنقلب القاعدة رأساً على عقب. في هذا العالم الجديد الغريب، الأكثر يعني الأقل.
المكون "النشط": الروبوتات الصغيرة الصاخبة
لفهم هذا، تخيل بدلاً من بناء جسر من الفولاذ "الميت"، أنك تبني جسراً مكوناً من ملايين الروبوتات المجهرية الصغيرة. هذه الروبوتات ليست مجرد جالس هناك؛ فهي تدفع، وتشد، وتلتوي باستمرار. هذا "الدفع" هو ما يسميه العلماء النشاط.
عندما تعمل هذه الروبوتات الصغيرة معاً بطريقة منسقة، يمكنها جعل المادة تفعل أشياء لا يمكن لجسر عادي القيام بها — مثل توليد قوى التواء غريبة أو التحرك بطرق تبدو وكأنها تتحدى الجاذبية. هذا ما يسمى عدم التبادلية (non-reciprocity). الأمر يشبه حشداً من الناس في حفلة موسيقية: إذا دفع الجميع في موجة منسقة، فستتحرك الحشود بأكملها بقوة لا يمكن لشخص واحد أن يحلم بها.
الاكتشاف: "قفل رقعة الشطرنج"
قام الباحثون ببناء "مادة خارقة روبوتية" — وهي عبارة عن شبكة من المفاصل الآلية — لاختبار ذلك. توقعوا أنه كلما رفعوا طاقة المحركات (زيادة "النشاط")، ستصبح المادة أكثر "نشاطاً" واستجابة.
لكن شيئاً ما سار بشكل خاطئ.
بينما كانوا يرفعون القدرة إلى أقصى حد، لم تكتفِ قدرة المادة على الاستجابة للقوى الخارجية بالتباطؤ فحسب، بل بدأت في التلاشي فعلياً. كان الأمر كما لو أن الروبوتات، كلما عملت بجهد أكبر، زادت من شلل الهيكل الذي كان من المفترض أن تمنحه الطاقة.
لماذا حدث هذا؟ "قفل رقعة الشطربرنج".
فكر في ساحة رقص:
- نشاط منخفض: الراقصون يتحركون قليلاً. إذا دفعت الحشد، فإن الحركة تنتشر عبر الغرفة بسلاسة. الحشد "متصل".
- نشاط مرتفع: يصبح الراقصون مكثفين وعدوانيين للغاية في حركاتهم الفردية لدرجة أنهم يبدأون في الاصطدام ببعضهم البعض باستمرار. ولتجنب وقوع تصادم كلي، "ينغلقون" جميعاً غريزياً. يتجمدون في نمط رقعة شطرنج صلب وغير متحرك للحفاظ على التوازن.
لأن كل روبوت صغير مشغول جداً بمحاولة موازنة قواه غير التبادلية المكثفة، فإنهم يتوقفون عن التواصل مع جيرانهم. "موجة" الحركة لا تستطيع بعد ذلك الانتقال عبر الحشد. الطاقة المجهرية لا تزال موجودة، لكنها محاصرة داخل الروبوتات الفردية، وغير قادرة على التحول إلى حركة كبيرة ملموسة.
سر "التخلل": السلسلة المكسورة
وجد العلماء أن هذا "الانغلاق" يحدث بسبب شيء يسمى التخلل (percolation).
تخيل سلسلة من الناس يمسكون بأيدي بعضهم البعض لسحب حبل ثقيل. إذا كان الجميع يمسك بأيدي بعضهم، فيمكن للسلسلة بأكملها سحب الحبل (هذا هو "التخلل"). ولكن إذا بدأت في إزالة الأشخاص عشوائياً، فستصل في النهاية إلى نقطة تحول حيث تنكسر السلسلة إلى مجموعات صغيرة ومعزولة. حتى لو كان الأشخاص في تلك المجموعات الصغيرة أقوياء للغاية، إلا أنهم لا يستطيعون سحب الحبل لأنهم غير متصلين ببعضهم البعض.
في هذه المواد النشطة، عندما يصبح "النشاط" مرتفعاً جداً أو تصبح الاتصالات شحيحة جداً، تنكسر "سلاسل القوة النشطة". تتعثر الطاقة في "جيوب محلية"، وتصبح المادة ككل "ميتة" بالنسبة للعالم الخارجي.
لماذا يهم هذا؟
قد يبدو هذا كأنه فشل، ولكن بالنسبة للمهندسين، هو قوة خارقة.
من خلال فهم قاعدة "الأكثر هو الأقل" هذه، يمكننا تصميم مواد يمكنها الضبط الذاتي. يمكننا بناء روبوتات تكون ناعمة ومرنة في ثانية واحدة، ثم — بمجرد رفع "نشاطها" الداخلي — تنغلق فوراً لتصبح هيكلاً صلباً لا يتزعزع.
إنه يشبه امتلاك مبنى يمكنه التحول من ناطحة سحاب متمايلة إلى ماس صلب بمجرد قلب مفتاح. نحن نتعلم كيفية هندسة "الفوضى" الخاصة بالحياة لخلق الجيل القادم من الآلات الذكية والحية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.