Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers
تُظهر هذه الدراسة أن السابحات المجهرية من نوع *Chlamydomonas reinhardtii* المتحركة تعزز ميكانيكياً مستحلبات زيت الخروع في الماء المتكدسة عن طريق مضاعفة إجهاد الخضوع عبر حلقة تغذية راجعة حيث يؤدي حصر القطيرات إلى تضخيم قوى دفع السابحات، مما يؤدي بدوره إلى تصلب البنية المجهرية عبر تفاعلات جاذبة ناتجة عن النشاط.
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
تستكشف فيزياء المادة اللينة ذلك العالم الغريب والوسطي للمواد التي ليست صلبة ولا سائلة، بل هي شيء مائع ومهيكل في آن واحد. فكر في المايونيز، أو معجون الأسنان، أو الطلاء الكثيف: هذه المواد تتدفق عندما تضغط عليها بقوة كافية، لكنها تحافظ على شكلها إذا تركتها وشأنها. ينشأ هذا السلوك غالبًا من حالة "الازدحام" (jamming)، وهي حالة تكون فيها الجسيمات الصغيرة أو القطرات متراصة بإحكام شديد لدرجة أنها تنغلق في مكانها، مكونةً شبكة صلبة. لطالما فهم العلماء كيف يحدث هذا مع المكونات البسيطة الخاملة، ولكن هناك أفق جديد يفتح الآن عبر إضافة الحياة إلى المزيج. لم يعد السؤال هو كيف تزدحم الجسيمات فحسب، بل ماذا يحدث عندما تكون تلك الجسيمات مزدحمة بكائنات حية سباحة صغيرة تدفع وتشد جيرانها باستمرار. إن فهم هذا التفاعل قد يسمح لنا يومًا ما بتصميم مواد تغير قوتها أو قوامها ببساطة عن طريق تشغيل أو إيقاف النشاط الحيوي داخل الكائنات المجهرية الموجودة فيها.
في دراسة حديثة، بحث باحثون في جامعة أمستردام في هذا السيناريو تحديدًا من خلال إنشاء مزيج زيتي كثيف وملئه بالطحالب الحية. بدأوا بمستحلب من قطرات زيت الخروع المعلقة في الماء، وهو نظام يصبح بطبيعته صلبًا مزدحمًا عندما يشغل الزيت مساحة كافية. أضاف الفريق إلى هذا المزيج طحالب "كلاميدوموناس رينهاردتي" (Chlamydomonas reinhardtii)، وهي طحالب وحيدة الخلية تسبح عن طريق ضرب ذيلين صغيرين. أنشأ الفريق ثلاث نسخ مختلفة من هذا المزيج لاختبار ما الذي يدفع حقًا التغيرات في قوة المادة. النسخة الأولى احتوت فقط على الزيت والماء. والثانية احتوت على نفس الزيت والماء، ولكن مع طحالب كانت ميتة ومثبتة في مكانها، لذا كانت تجلس ساكنة مثل صخور صغيرة. أما النسخة الثالثة فاحتوت على الطحالب الحية والسباحة. ومن خلال قياس مقدار القوة المطلوبة لجعل كل مزيج يتدفق بدقة، اكتشف الباحثون أن السباحين الأحياء جعلوا المادة أقوى بشكل ملحوظ، حيث ضاعفوا مقاومتها للتدفق في بعض الحالات. أما الطحالب الميتة، التي كانت تجلس في نفس المواضع تمامًا، فلم تحدث أي فرق يُذكر على الإطلاق. وهذا أثبت أن القوة الإضافية لم تأتِ من مجرد إشغال الطحالب للمساحة، بل من الطاقة النشطة التي بذلتها أثناء السباحة.
يكمن المفتاح وراء هذا التعزيز في الضيق الشديد الذي تعاني منه الطحالب. فبينما كان الباحثون يزيدون كمية الزيت في المزيج، كانت القطرات تتكدس بشكل أوثق، مما يترك فجوات أصغر فأصغر للطحالب للسباحة من خلالها. استخدم الفريق مجهرًا عالي القدرة لتتبع حركة الطحالب الفردية ووجدوا أنه مع تقلص الفجوات، تُجبر الطحالب على الدخول في أقفاص أصغر فأصغر تشكلها قطرات الزيت المحيطة بها. في هذه المساحات الضيقة، اضطرت الطحالب إلى الدفع بقوة أكبر ضد جدران أقفاصها للتحرك. هذا الحصر ضخّم القوة التي مارستها على الشبكة المحيطة. وجد الباحثون أنه كلما زاد الحصر، زادت القوة التي طبقتها الطحالب، مما جعل شبكة قطرات الزيد بأكملها أكثر صلابة وأصعب في التفكك. إنها حلقة تعزيز ذاتي: البيئة المزدحمة تحاصر السباحين، والحصار يجعلهم يدفعون بقوة أكبر، وهذا الدفع الإضافي يقفل المادة معًا بشكل أكثر إحكامًا.
يتحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن إضافة الكائنات الحية إلى المزيج تجعل المادة دائمًا أكثر سيولة. فبينما تُعرف بعض البكتيريا السباحة بقدرتها على تخفيف السوائل الكثيفة، فإن هذه الطحالب، التي تسحب الماء بأذيالها، عملت على زيادة صلابة المزيج المزدحم. تشير الدراسة إلى أن الطحالب تخلق نوعًا من الغراء غير المرئي بين قطرات الزيت، مما يسحبها معًا بفعالية ويجعل الهيكل بأكمله أكثر مقاومة للكسر. تمكن الباحثون من تقدير القوى المعنية من خلال النظر في مدى حصر الطحالب، وطابقت حساباتهم القوة الإضافية التي قاسوها في المختبر. يحدد هذا العمل آلية تغذية راجعة حيث يتحكم هيكل المادة في سلوك الكائنات الحية السباحة، وتقوم السباحات بدورها بالتحكم في قوة المادة. إنه يفتح الباب أمام طريقة جديدة للتفكير في المواد اللينة، حيث يمكن برمجة أو ضبط الخصائص الميكانيكية للمادة ببساطة من خلال إدارة النشاط الحيوي داخلها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.