High-Speed Steerable Polar Crystal Motors Powered by Photoinduced Inverse Piezoelectricity
تقدم هذه الورقة نموذجاً جديداً في الميكانيكا الضوئية حيث تحقق محركات بلورية قطبية قائمة على الهيبتازين غير القطبية حركة سريعة وأحادية الاتجاه عبر تحويل الضوء مباشرة إلى عمل ميكانيكي من خلال تأثير كهرضغطية عكسي مستحث ضوئياً، متجاوزةً بذلك الوسائط الحرارية أو الكيميائية التقليدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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
لقد أتقنت الطبيعة منذ زمن طويل فن تحويل الضوء إلى حركة. وتعد أوراق عباد الشمس التي تتبع الشمس أو الإغلاق السريع لنبات ذنب فينوس (صائد الذباب) أمثلة على الأنظمة البيولوجية التي تحول الطاقة الشمسية مباشرة إلى عمل ميكانيكي. وبالنسبة للعلماء الذين يحاولون بناء آلات تحاكي هذه القدرة، كان التحدي يكمن في إيجاد مادة يمكنها القيام بالشيء نفسه دون الاعتماد على محركات داخلية معقدة أو بطاريات. تعمل معظم الأجهزة التي صنعها الإنسان والتي تتحرك استجابةً للضوء عن طريق تحويل ذلك الضوء أولاً إلى حرارة، مما يؤدي إلى تمدد المادة، أو عن طريق تحفيز تغير كيميائي يعيد تشكيل الجزيء. وغالباً ما تكون هذه الطرق بطيئة، أو غير فعالة، أو صعبة التحكم بدقة. وكان المسار الأكثر مباشرة يتمثل في استخدام الكهرباء كوسيط، حيث يخلق الضوء مجالاً كهربائياً داخل المادة يدفعها أو يسحبها فوراً، لكن تحقيق ذلك في مادة صلبة ومرنة ظل أمراً بعيد المنال.
لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة لجعل بلورة صلبة تتحرك بسرعة وفي اتجاه محدد باستخدام الضوء فقط، متجاوزين الحاجة إلى الحرارة أو التفاعلات الكيميائية. فقد صنعوا بلورات صغيرة تشبه الهراوة من جزيء عضوي محدد، والذي رغم كونه غير قطبي في حد ذاته، إلا أنه يتراكم مع بعضه البعض بطريقة تخلق مجالاً كهربائياً داخلياً قوياً. وعندما يمسح شعاع من الضوء الأزرق المركّز عبر هذه البلورات، فإنها تنزلق بسلاسة عبر السطح بسرعات تصل إلى 1.0 ميكرومتر في الثانية. وهذه السرعة تزيد بمقدار ستين ضعفاً عن أي بلورة تم تسجيل حركتها بواسطة الضوء سابقاً. ولا تعد الحركة عشوائية؛ إذ تتحرك البلورات في خط مستقيم، دائماً في الاتجاه المعاكس لاتجاه شعاع الضوء المتحرك، ويمكن توجيهها ذهاباً وإياباً ببساطة عن طريق تغيير اتجاه الليزر.
يكمن سر هذه الحركة في ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكهروضغطي العكسي، ولكن يتم تحفيزها بواسطة الضوء بدلاً من سلك خارجي. وببساء لغة، عندما يصطدم الضوء بالبلورة، فإنه يولد تياراً كهربائياً صغيراً داخل المادة بسبب بنية البلورة الفريدة وغير المتماثلة. هذا التيار الكهربائي الداخلي يخلق قوة تمدد البلورة قليلاً على طول محورها. ولأن الضوء عبارة عن نقطة متحركة وليس فيضاً ثابتاً، فإن التمدد يحدث في شكل موجة تنتقل عبر البلورة. وبينما يتمدد جزء من البلورة ثم يعود لوضعه الأصلي، فإنه يدفع الجزء التالي للأمام، مما يخلق حركة مستمرة تشبه حركة "الترس" (ratcheting motion) التي تدفع البلورة بأكملها للأمام. وقد أكد الباحثون أن هذا لا ينتج عن تسخين الضوء للبلورة، حيث كان التغير في درجة الحرارة ضئيلاً جداً، كما أنه ليس ناتجاً عن أي تفاعل كيميائي، حيث ظلت بنية البلورة دون تغيير.
ولتحقيق ذلك، قام العلماء بتنمية نسختين مختلفتين من نفس البلورة، وأطلقوا عليهما اسم Hz-FG وHz-FY. ورغم أنهما مصنوعتان من نفس الجزيئات، إلا أن الطريقة التي تتراكم بها تلك الجزيئات تختلف قليلاً، مما أدى إلى إنتاج بلورة تتوهج باللون الأخضر وأخرى تتوهج باللون الأصفر. تمتلك كلتا النسختين الخصائص الكهربائية والميكانيكية اللازمة للحركة، لكن النسخة الصفراء، Hz-FY، كانت الأفضل أداءً؛ فقد تحركت بشكل أسرع وتطلبت طاقة ضوئية أقل للبدء. واختبر الباحثون البلورات عن طريق مسح شعاع الليزر ذهاباً وإياباً عبرها، فاستجابت البلورات فوراً، وانزلقت على السطح الزجاجي في تزامن تام مع الليزر. وعندما يتوقف الليزر، تتوقف البلورات، وعندما يعكس الليزر اتجاهه، تعكس البلورات اتجاهها أيضاً. ويشير هذا المستوى من التحكم إلى أن هذه البلورات يمكن أن تعمل يوماً ما كمحركات لاسلكية صغيرة للروبوتات الدقيقة أو الأجهزة الطبية التي تحتاج إلى التحرك بدقة دون أسلاك أو بطاريات.
المادة نفسها مرنة بشكل مفاجئ بالنسبة لبلورة. فخلافاً للعديد من البلورات الصلبة التي تتحطم عند ثنيها، يمكن لهذه البلورات العضوية أن تتمدد وتعود إلى شكلها الأصلي دون أن تنكسر. وقد قاس الباحثون هذه المرونة عن طريق شد البلورات ووجدوا أنها يمكن أن تتمدد بنسبة تصل إلى 3.5 بالمئة قبل أن تنكسر. وهذه المرونة أمر بالغ الأهمية لأنها تسمح للبلورة بتخزين الطاقة من المجال الكهربائي الناجم عن الضوء وإطلاقها كحركة فيزيائية. وتعتمد الحركة على قدرة البلورة على تغيير شكلها استجابةً للمجال الكهربائي الناتج عن الضوء، وهي عملية تحدث بالكامل داخل البنية الصلبة. وقد استبعد الفريق احتمالات أخرى، مثل تسبب الضوء في تمدد البلورة بسبب الحرارة، من خلال إظهار أن الحركة لا تحدث إلا عندما يتحرك الضوء في اتجاه معين وأن سرعة الحركة مرتبطة مباشرة بشدة الضوء، وليس بدرجة الحرارة.
يقدم هذا الاكتشاف طريقة جديدة للتفكير في تحويل الطاقة. فبدلاً من الاعتماد على المسارات غير المباشرة والبطيئة للحرارة أو الكيمياء، أظهر الباحثون أنه يمكن تحويل الضوء مباشرة إلى حركة ميكانيكية من خلال الكهرباء داخل مادة صلبة. تعمل البلورات كمحركات ذاتية الاحتواء، تعمل فقط بالضوء الذي يسقط عليها. إن حقيقة أن الحركة سريعة جداً ويمكن التحكم فيها بهذا الشكل تفتح آفاقاً لإنشاء أجهزة يمكن توجيهها باستخدام مؤشر ليزر بسيط. ويعتقد الباحثون أن هذا النهج قد يؤدي إلى جيل جديد من المحركات الدقيقة التي تعمل لاسلكياً، وتتميز بالدقة، وقادرة على العمل في بيئات لا تستطيع المحركات التقليدية العمل فيها. ومن خلال إثبات أن بلورة صلبة يمكن أن تتحرك بهذه السرعة والاتجاهية باستخدام الضوء فقط، قدم الفريق مساراً واضحاً نحو آلات أكثر كفاءة وتعدداً في الاستخدامات تعمل بالطاقة الضوئية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.