Beyond capillary condensation: Shear-induced bridging transitions in patterned slits

تخيل سائلاً محبوساً بين جدارين، مثل الماء المعصور في فجوة ضيقة. في عالم الفيزياء، يغير هذا الحصر كيفية سلوك السائل. في الظروف العادية، إذا ضغطت غازاً في مساحة ضيقة، فإنه يتحول إلى سائل عند ضغط أقل مما قد يكون عليه في غرفة واسعة ومفتوحة. هذه ظاهرة معروفة تسمى "التكثف الشعيري"، حيث تسحب الجدران الجزيئات معاً حتى تنهار وتتحول إلى حالة سائلة. ومع ذلك، تصبح الأمور أكثر تعقيداً بكثير عندما تكون الجدران نفسها غير متجانسة. فإذا كان أحد الجدران يحب البلل بينما يفضل الآخر البقاء جافاً، فإن السائل يصارع لاتخاذ قرار. وبدلاً من التحول البسيط من غاز إلى سائل، يمكن للسائل أن يشكل أشكالاً غريبة وممتدة، محلقاً في حالة من التوتر، حيث لا يكون تماماً شيئاً ولا الآخر. هذا التوازن الدقيق هو نقطة البداية لفهم كيف تتصرف السوائل في المساحات الصغيرة المصممة هندسياً والموجودة في التكنولوجيا الحديثة والطبيعة.

لقد استكشف فريق من الباحثين الآن ما يحدث عندما يتم تكثيف هذا الصراع من خلال نوع معين من الحركة. فقد درسوا سائلاً محصوراً بين جدارين متوازيين تم تنميطهما بخطوط متبادلة من مادتين مختلفتين. صُممت إحدى مجموعات الخطوط لجذب السائل، بينما صُممت الأخرى لطرده. والمنعطف الرئيسي في تجربتهم هو أنهم لم يبقوا الخطوط الموجودة على الجدار العلوي متوافقة تماماً مع الخطوط الموجودة على الجدار السفلي؛ بل قاموا بإزاحة الجدار العلوي جانبياً، وهي حركة تُعرف باسم "القص" (shear)، بحيث تواجه الخطوط الجاذبة في جانب ما الخطوط الطاردة في الجانب الآخر، أو رب الله منتصف خط ما. هذا الفعل البسيط المتمثل في إزاحة الجدران خلق صراعاً معقداً؛ إذ أراد السائل أن يتكثف إلى سائل حيث توجد الجدران الجاذبة، لكن عدم المحاذاة أجبر السائل على التمدد عبر الفجوة، مما خلق جسراً يتعين عليه التنقل عبر مشهد من القوى المتضاربة.

اكتشف الباحثون أن هذا التنافس أدى إلى ظهور مجموعة غنية بشكل مدهش من حالات السائل. فاعتماداً على عرض الفجوة ودرجة إزاحة الجدران، لم ينتقل السائل ببساطة من غاز إلى سائل، بل شكل حالات "تجسير" (bridging) متميزة حيث يربط السائل بين الجدارين في أنماط محددة ومستقرة. في بعض الحالات، كان جسر السائل مثبتاً بقوة عند الحواف حيث تتغير المواد، وكأنه مثبت في مكانه مثل وتد خيمة. وفي حالات أخرى، كان طرف واحد فقط من الجسر مثبتاً، بينما الطرف الآخر حر في الانزلاق على طول الجدار، ليلتقي بالسطح عند زاوية محددة. وكانت هناك أيضاً حالات يكون فيها الجسر حراً تماماً في الانزلاق ذهاباً وإياباً حتى يصطدم بحد ما، وهو شرط لا يحدث إلا عندما يكون الضغط بالضبط عند النقطة التي يتشبع عندها السائل في حالته الطبيعية. لم تكن هذه الحالات المختلفة مجرد اختلافات طفيفة، بل كانت تمثل أطواراً مختلفة تماماً للمادة، تفصل بينها تحولات يمكن التنبؤ بها بدقة.

كشفت الدراسة أن سلوك السائل كان محكوماً بالتفاعل الدقيق بين عرض الفجوة ومقدار الإزاحة الجانبية. فعندما كانت الفجوة واسعة، تصرف السائل بطريقة مباشرة نسبياً، حيث تكثف مباشرة من غاز إلى سائل. ولكن مع ضيق الفجوة أو زيادة الإزاحة، أُجبر السائل على الدخول في هذه الحالات التجسيرية المتوسطة. ووجد الباحثون أن هناك عتبات محددة حيث يتحول السائل فجأة من نوع جسر إلى نوع آخر. على سبيل المثال، يمكن لجسر مثبت بالكامل عند طرفيه أن يصبح مثبتاً جزئياً، حيث ينفصل أحد طرفيه ويبدأ في الانزلاق. حدثت هذه التغييرات عند ضغوط دقيقة، قام الفريق بحسابها باستخدام نسخ معدلة من معادلات الفيزياء الكلاسيكية التي تأخذ في الاعتبار الشكل المنحني لسطح السائل والزوايا المحددة التي يلمس بها الجدران.

ولضمان أن تنبؤاتهم ليست مجرد تخمينات نظرية، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً مفصلاً يحاكي السائل على مستوى الجزيئات الفردية. وأكدت هذه الرؤية المجهرية صحة تنبؤاتهم الكلية. أظهرت عمليات المحاكاة أن جسور السائل شكلت بالفعل الأشكال المتوقعة، حيث اتخذ "المنيسكوس" (meniscus)، أو السطح المنحني للسائل، أشكالاً محددة اعتماداً على القص. وفي الحالات الأكثر تطرفاً، حيث تم إزاحة الجدران بشكل كبير، ظل جسر السائل منحنياً بقوة حتى عندما كان الضغط قريباً جداً من النقطة التي يجب أن يصبح عندها السائل سطحاً مسطحاً. هذا الانحراف عن السطح المتوقع المسطح سلط الضوء على التأثير القوي للقوى الجزيئية. كما سمحت النماذج الحاسوبية للفريق بقياس تقلبات السائل على طول الجسر، مما كشف أن هذه التقلبات نمت بشكل أكبر بكيد من المتوقع مع ضيق الفجوة، وهي علامة على أن السائل في حالة حساسة للغاية وغير مستقرة.

تشير النتائج إلى أن سلوك السوائل في المساحات المنمطة أكثر تعقيداً وتنوعاً مما كان يُعتقد سابقاً. فمن خلال تغيير محاذاة الأنماط الكيميائية على الجدار ببساطة، يمكن خلق عائلة جديدة تماماً من حالات السوائل، لكل منها خصائصها الفريدة. حدد الباحثون ست حالات متميزة في المجمل، تتراوح من الغاز البسيط إلى الحالة السائلة الكاملة، مع وجود أربعة أنواع مختلفة من حالات التجسير بينهما. وهذه الحالات تفصل بينها تحولات يمكن أن تكون مفاجئة وحادة، أو سلسة ومستمرة، اعتماداً على الهندسة الدقيقة للإعداد التجريبي. إن هذا العمل يثبت أنه من خلال التحكم في النمط والقص، يمكن للمرء فعلياً ضبط السائل ليكون في الحالة المرغوبة، مما يوفر طريقة جديدة للتحكم في المادة عند أصغر المقاييس.

يفتح هذا البحث الباب أمام فهم أعمق لكيفية تصرف السوائل في البيئات الهندسية المحصورة. إن القدرة على التنبؤ بهذه الحالات التجسيرية والتحكم فيها قد تكون لها آثار على أي تكنولوجيا تعتمد على حركة السوائل عبر قنوات دقيقة، مثل أجهزة الموائع الدقيقة (microfluidic devices) أو أنظمة الترشيح المتقدمة. تظهر الدراسة أن القواعد التي تحكم السوائل في المساحات الضيقة ليست ثابتة، بل يمكن إعادة كتابتها من خلال هندسة الوعاء نفسه. وكما أشار الباحثون، فمن المرجح أن تحدث ظواهرات مماثلة في بيئات أكثر تعقيداً، حيث قد لا تتوافق الأنماط على الجدران تماماً أو قد تكون ذات أشكال غير منتظمة. في هذه البيئات الأكثر فوضوية، يمكن أن يزدัง عدد حالات السائل الممكنة بشكل كبير، مما يخلق مشهداً من الاحتمالات الذي بدأ استكشافه للتو. ويقف هذا العمل كشهادة على فكرة أنه حتى في أكثر المساحات حصراً، تجد الطبيعة طريقة لخلق التعقيد، ومن خلال فهم قواعد هذا التعقيد، يمكننا تعلم كيفية تسخيره.