Training and memory in a randomly driven fractal gel

المواد التي تبدو صلبة ولكنها في الواقع فوضوية من الداخل، مثل ورقة مجعدة أو جرة مليئة بالرمل المتراص بإحكام، غالبًا ما تتصرف بطرق تبدو وكأنها تتحدى المنطق البسيط. فعندما تضغط أو تمد هذه المواد غير المنتظمة، تتحرك أجزاؤها الداخلية الصغيرة وتعيد ترتيب نفسها. وعادةً ما يتوقع العلماء أن يكون هذا إعادة الترتيب فوضويًا ودائمًا، مما يترك المادة في حالة جديدة مشوشة بعد كل دفعة. ومع ذلك، اكتشف الباحثون مؤخرًا أن بعض هذه المواد الفوضوية يمكنها أن "تتعلم". فإذا ضغطت عليها ذهابًا وإيابًا بإيقاع وقوة محددين، يمكنها تدريب نفسها على العودة إلى شكلها الأصلي في كل مرة تتوقف فيها، مما يعني أنها تتذكر القوة الدقيقة التي استخدمتها. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التدريب"، لوحظت في أنظمة مثل الحبيبات المتراصة والصفائح المجعدة، ولكن كان من غير الواضح ما إذا كان يمكن أن يحدث ذلك في المواد اللينة الشبيهة بالهلام (الجيل)، أو ما إذا كان يمكن أن يحدث عندما تكون قوة الدفع عشوائية وغير متوقعة بدلاً من كونها إيقاعًا ثابتًا ومتكررًا.

وضع فريق من الفيزيائيين هدفًا للإجابة على هذه الأسئلة من خلال دراسة هلام كسري (fractal gel)، وهو مادة مكونة من جزيئات السيليكا الصغيرة المختلطة بزيت معدني لتشكيل شبكة رقيقة تشبه الإسفنج. ولمراقبة ما يحدث داخل هذا العالم غير المرئي، استخدموا تقنية قوية تسمى "مطيافية ارتباط الفوتونات بالأشعة السينية". تخيل تسليط شعاع مركز جدًا من الأشعة السينية عبر الهلام ومراقبة كيفية تشتت الضوء عن الجزيئات المتحركة. ومن خلال تحليل أنماط الضوء المشتت، استطاع البالباحثون رؤية الترتيب الدقيق للجزيئات وتتبع كيفية حركتها عند ضغط الهلام. وضعوا الهلام بين لوحين واستخدموا آلة دقيقة لتحريك اللوح السفلي ذهابًا وإيابًا، مما أدى إلى تطبيق "إجهاد القص" (shear strain)، وهو نوع من القوة يحاول جعل الطبقات تنزلق فوق بعضها البعض.

أجرى الباحثون نوعين مختلفين من التجارب لمعرفة كيفية تفاعل الهلام. في التجلة الأولى، طبقوا دفعًا وسحبًا إيقاعيًا متوقعًا، حيث قاموا بمد الهلام إلى حد معين ثم إعادته إلى الصفر، مرارًا وتكرارًا. وفي التجربة الثانية، استخدموا نهجًا عشوائيًا، حيث جعلوا الهلام يتحرك في نمط فوضوي يتأرجح صعودًا وهبوطًا ولكنه لم يتجاوز أبداً نفس الحدود القصوى المستخدمة في التجربة الأولى. ووجدوا أن كلتا الطريقتين نجحتا؛ فسواء تم دفع الهلام بإيقاع ثابت أو عبر مسار عشوائي، فإن بنيته الداخلية تعلمت في النهاية كيف تصبح "عكوسة" (reversible). وهذا يعني أنه بعد عدد معين من الدورات، ستعود الجزيئات إلى نفس المواقع التي بدأت منها في نهاية كل عملية مد، حتى وإن كانت المسارات التي سلكتها للوصول إلى هناك مختلفة. لقد درب الهلام نفسه فعليًا على تذكر حدود القوة المطبقة عليه.

ومع ذلك، فإن الطريقة التي تعلم بها الهلام اعتمدت على كيفية دفعه. فعندما كانت القوة ثابتة وإيقاعية، حدث التدريب بسرعة وسلاسة؛ حيث أصبح الهلام عكوسًا دورة تلو الأخرى، ويتحسن في العودة إلى نقطة بدايته مع كل تكرار. أما عندما كانت القوة عشوائية، فقد كانت العملية أبطأ وأكثر اضطرابًا؛ إذ كانت قدرة الهلام على العودة إلى حالته الأصلية تتحسن، ثم تنخفض أحيانًا، قبل أن تتحسن مرة أخرى، لكن الاتجاه العام كان لا يزال نحو زيادة القدرة على العودة (reversibility). أظهر هذا أنه بينما جعلت العشوائية عملية التعلم أكثر فوضوية، إلا أنها لم تمنع الهلام من التعلم. كما قاس الباحثون المسافة التي تحركت فيها الجزيئات بشكل غير عكسي خلال هذه الدورات، ووجدوا أنه مع تدريب الهلام، تناقصت المسافة التي تتحركها الجزيلمات بشكل دائم، حتى أصبحت صغيرة جدًا لدرجة أن المادة بدت وكأنها ترتد بشكل مثالي.

ولإثبات أن الهلام يتذكر حقًا شدة القوة المستخدمة أثناء التدريب، استخدم الفريق اختبار "القراءة" (readout test). فقد أخذوا هلامًا تم تدريبه بكميات مختلفة من القوة، ثم عرضوه لسلسلة جديدة من عمليات المد التي تزداد قوتها تدريجيًا. بالنسبة للهلامات التي لم يتم تدريبها، انخفض الارتباط بين مواضع البداية والنهاية فورًا بمجرد أن تصبح القوة قوية بما يكفي لتحريك الجزيئات. ولكن بالنسبة للهلامات المدربة، حدث شيء مثير للاهتمام؛ فما دام الضغط الجديد أقل من المستوى الذي تم التدريب عليه، ظل الهلام مستقرًا وعكوسًا بشكل ملحوظ. وبمجرد أن تصل القوة إلى الحد الدقيق لتدريبها، ينهار الاستقرار وينخفض الارتباط بشكل حاد. عمل هذا الانخفاض الحاد كـ "بصمة"، مما أكد أن الهلام قد خزن ذاكرة لسعة الإجهاد التي تعرض لها.

كشفت الدراسة أن تأثير الذاكرة هذا لا يقتصر على الدفع المنظم والإيقاعي فحسب، بل يمكن أيضًا تحفيزه بواسطة قوى عشوائية وفوضوية، بشرط أن تظل تلك القوى ضمن حدود معينة. وبينما لم تظهر البنية الداخلية للهلام علامات واضحة على تغيير شبكتها العامة أو تكوين روابط جديدة، فإن طريقة استجابتها للإجهاد اقترحت أن الجزيئات كانت تعيد تنظيم نفسها محليًا للتكيف مع القوة. لاحظ الباحثون أنه بالنسبة للقوى الصغيرة جدًا، كان الهلام مرنًا وعكوسًا بالفعل، ولم يكن بحاجة إلى تدريب. ولكن بمجرد وصول القوة إلى عتبة معينة، أصبح التدريب ضروريًا لاستعادة القدرة على العودة للحالة الأصلية. يشير هذا إلى أن قدرة الهلام على التذكر هي عملية ديناميكية تظهر فقط عندما يُدفع المادة بقوة كافية لإحداث تحولات داخلية، ولكن ليس بقوة تؤدي إلى انهياره تمامًا. تفتح هذه النتائج أسئلة جديدة حول كيفية احتفاظ المواد غير المنتظمة بالمعلومات المتعلقة بتاريخها الميكانيكي، مما يشير إلى أن حتى الأنظمة الأكثر فوضوية قد تمتلك قدرة خفية على التعلم والتكيف.