Interplay between spinodal decomposition and wetting in ternary to quinary mixtures

تخيل قطرة من الزيت تسقط في كأس من الماء. لا يمتزج السائلان، بل ينفصلان، حيث يتجمع الزيت معاً في شكل متميز لتقليل تلامسه مع الماء. هذا مشهد مألوف، ولكن في عالم علم المواد، يهتم العلماء بما يحدث عندما لا يكون لديك مادتان فقط، بل ثلاث أو أربع أو حتى خمس مواد مختلفة تحاول تنظيم نفسها في وقت واحد. هذه العملية، المعروفة باسم التحلل الانفصالي (spinodal decomposition)، هي الطريقة التلقائية التي يتفكك بها المزيج المادي إلى مناطق متميزة دون الحاجة إلى بذرة أو محفز. إنها الآلية التي تحدد البنية الداخلية لكل شيء، بدءاً من السبائك المعدنية المستخدمة في محركات الطائرات النفاثة وصولاً إلى السوائل المعقدة داخل الخلايا الحية. وعندما يحدث هذا الانفصال بالقرب من جسم صلب، مثل جسيم دقيق معلق في المزيج، تتغير القواعد؛ إذ يمكن للسطح الصلب أن يجذب نوعاً واحداً من المواد أكثر من غيره، مما يخلق طبقة من تلك المادة حوله. هذه الظاهرة، التي تسمى "الترطيب" (wetting)، تتنافس مع الميل الطبيعي للمزيج للتحلل إلى نطاقات كبيرة وناعمة. إن فهم كيفية تفاعل هذه القوى في المزيجات المعقدة متعددة المكونات أمر بالغ الأهمية لتصميم مواد جديدة ذات خصائص محددة، ومع ذلك، ظل سلوك الأنظمة التي تحتوي على أكثر من ثلاثة مكونات لغزاً كبيراً.

في دراسة حديثة، استخدم باحثون في المعهد الهندي للتكنولوجيا في رورك (IIT Roorkee) عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لمراقبة هذا المسار وهو يتكشف في مخاليط تحتوي على ثلاثة أو أربعة أو خمسة مكونات مختلفة. لقد أنشأوا بيئة رقمية حيث استقر جسيم ثابت وغير متحرك في المركز ضمن مزيج متجانس. ثم راقب الفريق كيفية انفصال المكونات المحيطة بمرور الوقت تحت ظروف مختلفة: حالة يكون فيها الجسيم ليس لديه أي تفضيل لأي مكون، وحالة أخرى ينجذب فيها الجسيم بقوة إلى مكون معين بينما ينفر من المكونات الأخرى. ومن خلال ضبط القوى غير المرئية بين الجسيمات والمكونات، تمكنوا من التحكم في من يلتصق بالسطح ومن يبتعد عنه. كان الهدف هو معرفة كيف سيغير عدد المكونات ووجود سطح "لاصق" النمط النهائي للمادة.

عندما حاكى الباحثون مزيجاً يحتوي على ثلاثة مكونات وبدون وجود جسيم، كانت النتيجة عبارة عن شبكة متشابكة ومعقدة حيث اختلطت المواد الثلاث معاً في بنية تشبه النسيج العنكبوتي. ومع ذلك، عندما أدخلوا جسيماً يفضل مكوناً واحداً، تغيرت القصة بشكل كبير. فقد التف المكون المفضل حول الجسيم فوراً مثل معطف، مشكلاً لباً (core). ثم شكل المكون التالي الأكثر توافقاً قشرة حول ذلك اللب، بينما شكل المكون الثالث طبقة خارجية، مما خلق نمطاً يشبه لوحة الهدف المكونة من حلقات متمركزة. يُعرف هذا باسم "مورفولوجيا اللب والقشرة" (core-shell morphology). ومع مرور الوقت، لم تبقَ هذه الحلقات مثالية؛ إذ جعل انحناء الحلقات الصغيرة هذه البنية غير مستقرة، مما أدى إلى تقلص الطبقات الداخلية واختفائها في النهاية بينما تسعى المادة لتنعيم حوافها. اندمجت الحلقات مع المادة المحيطة، مما كسر نمط الهدف المنظم إلى جزر معزولة.

وجد الباحثون أن إضافة المزيد من المكونات تجعل عملية الانفصال أبطأ وأكثر تفتتاً. في مزيج مكون من أربعة مكونات، ظل تأثير الترطيب يخلق طبقات حول الجسيم، لكن المادة الموجودة بعيداً عن الجسيم بدأت تتفكك إلى قطرات متميزة بدلاً من شبكة مستمرة. وعندما انتقلوا إلى مزيج مكون من خمسة مكونات، اختفى الميل لتشكيل شبكة مستمرة تماماً. وحتى مع وجود جسيم يحاول جذب المكونات لتكوين طبقات، تفتتت المادة في الكتلة إلى قطرات صغيرة ومعزولة من كل مكون. لقد عمل وجود المكونات الإضافية بمثابة "مكبح" لحركة الجزيئات، مما جعل من الصعب عليها إعادة الترتيب لتكوين نطاقات كبيرة وناعمة.

كان الاكتشاف الرئيسي هو المنافسة بين سرعة الترطيب وسرعة الانفصال الإجمالي. تسبب انجذاب الجسيم إلى مكون معين في اندفاع ذلك المكون نحو السطح بسرعة، مما سرع من التكوين الأولي لبنية "اللب والقشرة". ومع ذلك، بمجرد تشكل هذه البنى، تباطأت عملية نموها وتنعيمها، وهي عملية تُعرف باسم "التخشين" (coarsening)، بشكل ملحوظ مع زيادة عدد المكونات. لاحظ الباحثون أنه بينما ساعد الترطيب المادة على التنظم بشكل أسرع في البداية، فإن التعقيد الشديد الناتج عن وجود المزيد من المكونات جعل عملية الاستقرار النهائي تستغرق وقتاً أطول. وفي كل حالة، كان النمط النهائي نتيجة لمحاولة الجسيم سحب طبقة معينة نحو نفسه، بينما تقاتل بقية المزيج لتنفصل إلى أشكالها المتميزة الخاصة.

كشفت الدراسة أيضاً أن ليس كل مكون يحصل على حلقة متميزة خاصة به. ففي المخاليط الأكثر تعقيداً، قد تتجمع بعض المكونات ذات الخصائص المتشابهة عند الحدود بين الطبقات الرئيسية، مكونة أغشية رقيقة بدلاً من قشور كاملة. حدث هذا لأن القوى بين تلك المكونات المحددة كانت ضعيفة بما يكفي بحيث لم تكن بحاجة إلى الانفصال تماماً. وأشار الباحثون إلى أن هذا السلوك يعتمد كلياً على التوازن المحدد للقوى بين كل زوج من المكونات. إذا تم ضبط القوى بشكل صحيح، يمكن توجيه المادة لتكوين بنية طبقية محددة، ولكن إذا تغير توازن القوى، يمكن للطبقات أن تذوب أو تتفكك.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أنه من خلال التحكم في كيفية تفاعل الجسيم مع المزيج المحيط به، يمكن للعلماء التأثير على البنية النهائية للمادة. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بينما يمكن لجسيم واحد أن يخلق نمط هدف طبقي جميل، فإن الدافع الطبيعي للنظام لتقليل الطاقة سيؤدي في النهاية إلى تفكيك هذه الأنماط إلى أشكال أبسط. ويلعب عدد المكونات في المزيج دوراً حاسماً: فالمزيد من المكونات يعني المزيد من الجزر المعزولة ومساراً أبطأ نحو الحالة النهائية. توفر هذه النتائج خارطة طريق لفهم كيفية تطور المواد المعقدة، مما يوفر وسيلة للتنبؤ بما إذا كان المزيج سيشكل شبكة مستمرة أو يتفكك إلى قطرات. هذه المعرفة ضرورية للمهندسين والعلماء الذين يحتاجون إلى تصميم مواد ذات بنى داخلية دقيقة، من السبائك الأكثر قوة إلى الطلاءات البيولوجية المتقدمة، لضمان أن الترتيب المجهري للمادة يدعم وظيفتها المقصودة.