Density Accelerated Relaxation in Active Passive Colloidal Networks with Competing Interactions
تكشف هذه الدراسة أنه في المزيجات الغروية النشطة-الخاملة شبه ثنائية الأبعاد ذات التفاعلات المتنافسة بوساطة المجال الكهربائي، يؤدي رفع الكثافة بشكل متناقض إلى تسريع الاسترخاء ضمن أنظمة الشبكة المتصلة بسبب إعادة الترتيب المدفوعة بالنشاط والممكنة بفعل قوى التجاذب والتنافر غير المتماثلة.
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
في العالم المجهري للسوائل، غالبًا ما تتصرف الجسيمات الصلبة الصغيرة مثل ساحة رقص مزدحمة حيث يحاول الجميع إيجاد مساحتهم الخاصة. وعندما تكون هذه الجسيمات خاملة، أي أنها تنجرف ببساطة مع تدفق السائل، يمكنها أحيانًا أن تلتصق ببعضها البعض لتشكل شبكات متشابكة شاسعة تُعرف باسم "الهلام" (gels). وتُعد هذه الهلامات العمود الفقري للعديد من المواد اليومية، من قوام الأطعوة إلى استقرار الأدوية. ومع ذلك، بمجرد تشكلها، تصبح هذه الشبكات عادةً صلبة ومتجمدة في مكانها، مما يحبس هيكلها في الزمن ويجعل من الصعب تغييرها دون تفكيكها. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لإبقاء هذه الشبكات حية وقابلة للتكيف، آملين في ضخ الطاقة على مستوى الجسيمات لإبقائها في حالة حركة وإعادة تشكيل. وكان التحدي يكمن في أن إضافة الطاقة غالبًا ما تؤدي إلى انفصال الجسيمات إلى كتل بدلاً من تكوين الشبكات المتصلة والممتدة عبر الفراغ والتي تعد مفيدة للغاية. وظل السؤال قائمًا: هل يمكن دفع مزيج من الجسيمات المتحركة والثابتة لتشكيل شبكة مستقرة، ولكن ديناميكية، يمكن ضبطها والتحكم فيها؟
لقد وجد باحثون في جامعة ماساتشوستس أمهرست طريقة للقيام بذلك بالضبط من خلال إنشاء مزيج فريد من نوعين من الكرات المجهرية: بعضها يتحرك من تلقاء نفسه وبعضها يبقى ساكنًا. وضعوا هذه الجسيمات بين لوحين زجاجيين وطبقوا مجالًا كهربائيًا سريع التبدل. يعمل هذا المجال كجهاز تحكم عن بعد، محولًا الجسيمات إلى مغناطيسات صغيرة. ويكمن سر نجاحهم في كيفية تفاعل هذه المغناطيسات الاصطناعية. فالجسيمات المتحركة، المغلفة بمادة خاصة من جانب واحد، تنجذب إلى الجسيمات الثابتة لكنها تتنافر مع الجسيمات المتحركة الأخرى. وفي المقابل، تتنافر الجسيمات الثابتة مع بعضها البعض. يخلق هذا توازنًا دقيقًا حيث تعمل الجسيمات المتحركة كوصلات، تربط الجسيمات الثابتة ببعضها البعض، بينما يمنع التنافر المجموعة بأكملها من الانهيار في كتلة واحدة كثيفة. والنتيجة هي شبكة مترامية الأوصال ومتصلة، تحافظ على شكلها ولكنها تظل سائلة بما يكفي لإعادة ترتيب نفسها.
ما اكتشفه الفريق بعد ذلك كان مفاجأة تتحدى القواعد المعتادة لأنظمة الجسيمات المزدحمة. ففي معظم المواد الكثيفة، يؤدي إضافة المزيد من الجسيمات إلى جعل الهيكل أبطأ وأكثر صلابة، مثل ازدحام مروري يزدحَم أكثر كلما دخلت سيارات أكثر إلى الطريق. ومع ذلك، في هذه الشبكة المحددة، حدث العكس؛ فمع زيادة الباحثين للعدد الإجمالي للجسيمات في المزيج، لم تتباطأ الشبكة، بل تسارعت. إن الوقت الذي استغرقته البنية للاسترخاء وإعادة الترتيب انخفض بالفعل مع زيادة الكثافة. يشير هذا السلوك المنافي للبديهة إلى أن الشبكة ليست مجرد نسيج ثابت يمسك الجسيمات في مكانها، بل هي نظام ديناميكي حيث تؤدي عملية ازدحام الجسيمات معًا إلى تفعيل آلية تبقيها في حالة حركة.
لفهم سبب حدوث ذلك، فحص العلماء الترتيب المجهري للجسيمات بدقة. ووجدوا أنه كلما أصبح المزيج أكثر كثافة، أُجبرت الجسيمات المتحركة على الاقتراب من بعضها البعض، ولا يفصل بينها سوى الجسيمات الثابتة. ولأن الجسيمات المتحركة تتنافر مع بعضها البعض، فقد خلق هذا الازدحام نوعًا من التوتر الهيكلي، أو "الإحباط"، داخل الشبكة. وبدأت الجسيمات المتحركة، التي تحاول باستمرار الابتعاد عن جيرانها، في الدوران وإعادة التوجه بسرعة أكبر لتخفيف هذا الضغط. سمح هذا الدوران المستمر لها بالتحرر من أقفاصها المؤقتة والضغط ضد الشبكة، مما تسبب في تحرك الهيكل بأكمله وتدفقه بشكل أسرع. وكلما أصبح النظام أكثر ازدحامًا، زادت شدة هذا الضغط الداخلي، وزادت سرعة إعادة ترتيب الشبكة لنفسها.
تؤكد الدراسة أنه من خلال ضبط التفاعلات بين الأنواع المختلفة من الجسيمات والطاقة المزودة إليها بعناية، يمكن إنشاء مواد مستقرة وعالية الاستجابة في آن واحد. وقد أظهر الباحثون أن الشبكة تشكل حالة "متخللة" (percolated state)، مما يعني أنها تمتد عبر المساحة بأكملها، وأن هذه الحالة يتم الحفاظ عليها من خلال التجاذب المحدد بين الجسيمات المتحركة والثابتة. كما استبعدوا فكرة أن هذا السلوك ناتج ببساطة عن تجمع الجسيمات عشوائيًا، مبرهنين بدلاً من ذلك على أن النمط المحدد من التجاذب والتنافر ضروري لتشكل الشبكة ولحدوث التسارع. ومن خلال رسم خرائط توضح بدقة كيف يؤثر معدل نسبة الجسيمات المتحركة إلى الثابتة والكثافة الإجمالية على النظام، حددوا نظامًا محددًا تزدهر فيه هذه الشبكات النشطة.
يقدم هذا العمل طريقة جديدة للتفكير في تصميم المواد اللينة. فبدلاً من قبول حقيقة أن الهلامات الكثيفة يجب أن تكون بطيئة وغير قابلة للتغيير، فإنه يوضح كيف يمكن الجمع بين النشاط والتفاعل لإنشاء هياكل تصبح أكثر ديناميكية كلما زاد ازدحامها. توفر هذه النتائج مسارًا واضحًا لهندسة مواد يمكنها تكييف خصائصها الميكانيكية عند الطلب، مما قد يؤدي إلى أنواع جديدة من المواد ذاتية الشفاء أو الطلاءات المستجيبة. لقد أظهر الباحثون أن السر في وجود شبكة كثيفة وسريعة الحركة لا يكمن في تجنب الازدحام، بل في استخدام التوتر الناتج عن الازدحام لدفع حركة مستمرة ومتحكم بها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.