المادة المكثفة الناعمة cond-mat.soft

قطرة ماء تسقط على ورقة لوتس فترتد دون أن تترك أثرًا. هذه معجزة التنظيف الذاتي صقلتها الطبيعة على مدى ملايين السنين، ويحاول المهندسون منذ زمن طويل محاكاتها. لكن إذا اصطدمت القطرة بسرعة كبيرة، تتفتت إلى رذاذ، وتفقد كتلتها وتترك آثارًا مبللة على السطح. كان يُعتقد أنه عند السرعات العالية للاصطدام يستحيل تجنب الرذاذ، حتى أُضيف القليل من البوليمر إلى الماء.

اسكب حفنة من الرمل الجاف، فستنتشر على شكل مخروط منتظم. والآن خذ حزمة من المعكرونة على شكل نجوم: ستقف الكومة بشكل شبه عمودي. لماذا؟ كل شيء يعود إلى شكل الجسيمات. بنى الفيزيائيون أكوامًا أسطوانية من جسيمات ذات أشكال هندسية مختلفة، من كرات ملساء إلى "عديدات الأرجل" (polypods) ذات عدة نتوءات، مثل نجم البحر.

على طاولة يرقد غشاء مطاطي رقيق. يمسكه أحدهم من منتصفه ويسحبه ببطء إلى الأعلى. لا يريد الغشاء أن يرتفع ببساطة: بل يتقوس كقبة، ثم تنتشر التجاعيد على حافة القبة، مثل ثنيات التنورة. يُرفع أعلى — فتتجمع التجاعيد في طيات كبيرة تعبر الغشاء كله. وإذا بدأنا بالإنزال، لا تختفي الطيات، بل تنطوي في أشكال جديدة. هذه التجربة البسيطة موصوفة في عمل جديد، وهي تفسر سبب حدوث ذلك.

قطرة ماء محصورة بين سطحين متقاربين تتحول إلى جسر صغير. توجد هذه الجسور في كل مكان: فهي تمسك حبيبات الرمل في الرمل الرطب، وتجعل الشعر يتلاصق بعد الاستحمام، بل وتساعد الحشرات على المشي على الجدران. أخذ العلماء ثلاثة أنواع من الأسطح: زجاجًا عاديًا، وزجاجًا بطلاء طارد للماء، وزجاجًا مشبعًا بزيت السيليكون. قاموا بتحريك الأسطح معًا وتباعدهما ببطء، وراقبوا كيف يتغير الجسر وبأي قوة يسحب.

البكتيريا في قطرة ماء لا تسبح فقط — بل تستشعر الفضاء حولها، وتقرر أين تتجه، وتجد المخرج من متاهة معقدة. السباحون المجهريون الاصطناعيون لم يتمكنوا من ذلك حتى الآن: كان لا بد من قيادتهم يدويًا عبر إشارات من الخارج. الآن أظهرت مجموعة من الباحثين أن القطرات-الوكلاء الصغيرة يمكنها الاستغناء عن المرشد. السر يكمن في الإشارات الكيميائية والهيدروديناميكية التي ينشرها الوكلاء أنفسهم حولهم.

الطريقة المعتادة لتجميد خلية حية تشبه محاولة ارتداء بدلة فضاء: يجب أولًا إدخال مادة واقية إلى الداخل، ولكن بينما تخترق الغشاء، قد تنفجر الخلية بسبب اختلاف الأملاح أو تتسمم بالمواد الكيميائية.

خيط رفيع في تيار ماء — كشعرة في تدفق الدش. إذا حركت الماء ذهابًا وإيابًا، فالشعرة تارةً تستطيل مع التيار وتارةً تنكمش. أخذ العلماء خيوطًا بروتينية حقيقية (الأكتين، الذي تتكون منه العضلات) ووضعوها في قناة مجهرية حيث اهتز السائل بترددات مختلفة. عند الاهتزازات السريعة، كان الخيط يعود بطاعة إلى وضعه الأصلي بعد كل دورة — مثل البندول. ولكن عندما تباطأت الاهتزازات، تغير كل شيء.

حفنة من الكرات المغناطيسية، إذا هززتها، تلتصق ببعضها في كتل. لكن أضف إلى المغناطيسات نوابض تدفع الكرات بعيدًا عن بعضها على مسافة — وستتفكك الكتل إلى جزر منتظمة. هذا تقريبًا سلوك الجسيمات التي تتناولها الدراسة الجديدة: تتجاذب عن قرب، لكنها تتنافر من بعيد. قام الباحثون بحساب ملايين الاحتمالات لمثل هذا «الغراء بالنوابض» على الحاسوب.

إسفنجة المطبخ، عندما تُعصر في قبضة اليد، تعود إلى شكلها. أما إذا عُصرت ببطء مع تركها لتجف، فستبقى مسطحة. هذا ما فعله العلماء تقريبًا بكرات هلامية صغيرة: تركوها تجف مع عصرها في الوقت نفسه، وراقبوا ما يحدث في الداخل. يتكون الهلام من جسيمات دقيقة تلتصق معًا في شبكة مخرّمة، مثل رقائق الحبوب في طبق الحليب. عندما تجف الكرة، يخرج الماء وتنكمش الشبكة.

تسقط قطرة دم على ضمادة مصنوعة من ألياف بوليمرية فائقة الدقة. عادةً ما تبقى على السطح مثل قطرة ندى على ورق مشمع. المادة تطرد الماء، ولا يتم امتصاص الدم — وبالتالي لا تلتصق الضمادة بالجرح. غيّر العلماء سطح الألياف. أضافوا إلى البوليمر جسيمات سيليكون صغيرة جدًا — أنحف بألف مرة من شعرة الإنسان. حصلوا على الجسيمات باستخدام الليزر في سائل، دون إضافات لاصقة، لذلك بقيت "عارية" ونشطة.

داخل بيضة الضفدع المخصبة تتحرك أمواجٌ — مثل الدوائر في الماء، لكنها مصنوعة من البروتينات التي توجّه انقسام الخلايا. تجتاز هذه الأمواج مسافاتٍ بالمليمترات، رغم أن البيضة نفسها أصغر من ملليمتر. في السابق، لم يُفهم لماذا لا تفقد انتظامها. اتضح أن الأمواج تمهّد الطريق لنفسها. البروتينات في البيضة تتجمع في قطرات تنمو وتنفجر تباعًا. عندما تنمو قطرة، تدفع جاراتها، وعندما تنفجر، تُفسح المجال.

اضغط على قاع علبة معدنية فارغة — سينخفض إلى الداخل ويبقى كذلك. اضغط مرة أخرى — سينتفخ إلى الخارج. هذه هي ثنائية الاستقرار (bistability): النظام له حالتان مستقرتان، مثل مفتاح الضوء. القوس المرن هو أبسط مثال على هذا النظام. يمكن أن يكون مقوسًا لأعلى أو لأسفل، ولتبديل حالته تحتاج إلى بذل قوة. أخذ العلماء قوسًا مصنوعًا من مادة تغير شكلها بنفسها تحت تأثير الضوء.

قطرة الزيت في الماء تتصرف مثل كرة صغيرة: فهي تسعى إلى احتلال الموضع ذي الطاقة الأقل. إذا كان هناك جدار قريب، فغالبًا ما تلتصق القطرة به — تمامًا كما تنتشر قطرة المطر على الزجاج. في خليط من سائلين غير قابلين للامتزاج، مثل بولي إيثيلين جلايكول (polyethylene glycol) وديكستران (dextran)، تتشكل قطرات متناهية الصغر من أحد السائلين داخل الآخر.

كرة مجهرية من الجيل أو قطرة زيت صغيرة تشق طريقها عبر قناة ضيقة، جدرانها تنقبض وتنبسط بإيقاع منتظم. الجسيم يتفلطح تارة ويعود إلى شكله تارة أخرى — ومن سرعة هذا التغير يمكن معرفة مرونته الداخلية ولزوجته. هكذا تعمل Rheofluidics: طريقة جديدة تقيس الخواص الميكانيكية لأجسام مجهرية مفردة، لا لتجمعاتها.

تعيش الجسيمات الدقيقة حياة مزدوجة، مثل عملة دوّارة تكون وجهيها معاً. الاتصال بالعالم الخارجي يجبرها على اختيار وجه واحد – وهي عملية تسمى فك الترابط. تخيلها كصدى في غرفة. افترضت القاعدة القديمة أن الغرفة خاوية، فيموت الصدى فوراً. المحيط الحقيقي له ذاكرة، مثل المفروشات الناعمة التي تحتجز الصوت لفترة أطول قليلاً. هذه الذاكرة تغير التلاشي.

في كأس من الماء تُذاب عدة أملاح وفورمالديهايد. بعد فترة، تنفصل السوائل ذاتيًا: تظهر فيها قطرات ذات غشاء تشبه فقاعات صغيرة جدًا. داخل كل قطرة تجري تحولات كيميائية، والقطرة نفسها تنمو بامتصاص المادة من المحلول المحيط بها. هذه القطرات ليست مجرد فقاعات. داخلها تتكوّن قطرات جديدة أصغر، قادرة أيضًا على النمو. هكذا تعطي القطرة الواحدة بداية لجيل تالٍ.

يعمل ترانزستور الغرافين كمفتاح مجهري: عندما يستقر جزيء على سطحه، يتغير التيار. لكن سطح الغرافين العاري لا يلتقط شيئًا. نحتاج إلى "طُعم"، وهو أجسام مضادة لا تتعرف إلا على بروتينات الفيروس. كيف نثبتها على الغرافين دون إتلاف المستشعر نفسه؟ وجد العلماء طريقة: غطوا الغرافين بغشاء كربوني بسماكة نانومتر واحد. هذا يشبه لصق شريط لاصق مزدوج الوجه على الطاولة.

داخل الخلية الحية توجد قطرات سائلة صغيرة جدًا، تتجمع فيها البروتينات معًا مثل مكونات صلصة الخل. بعض البروتينات تشكل هيكل القطرة، بينما البعض الآخر — الزوار — لا ينشئون القطرة بأنفسهم، لكنهم يقفزون إليها عن طيب خاطر ويغيرون تركيبها. أخذ العلماء ثلاثة بروتينات تعمل عادة في مواقع ارتباط الخلية بالسطح: اثنان هيكليان (FAK و Cas) وواحد زائر (باكسيلين).

حفنة من البلورات النانوية لكبريتيد الرصاص، المغطاة بجزيئات مشحونة، ترتب نفسها بنفسها في شبكة بلورية مثالية. كل بلورة نانوية تشبه طوبة بحجم بضعة نانومترات، والجزيئات المشحونة على سطحها تعمل كملاط رابط. في المحلول، تجد الطوب بعضها بعضًا وتتراص في جدار مستقيم، حيث تقف كل طوبة في مكانها بدقة وحتى تكون موجهة بنفس الاتجاه. كان يُعتقد سابقًا أن هذه المنشآت تتجمد إلى الأبد.

تهب الرياح بشكل منتظم، لكن فجأة تأتي هبّة فتتصاعد الأوراق في دوامة. داخل هذه الهبّة، تتغير سرعة الهواء ليس بشكل سلس بل بشكل متقطع — تارة إلى الأمام بحدة، وتارة إلى الجانب. هذه الهبّات النادرة والقوية تُعرف باسم "التبدل المتقطع" (intermittency)، وهي اللغز الرئيسي للاضطراب.

قطرة من خليط كثيف من نشا الذرة والماء تسقط على طاولة. عادةً، يتصلب هذا الخليط فوراً عند الاصطدام العنيف — بل يمكن حتى الجري فوقه إذا ملأت به حوض سباحة. لكن في هذه التجربة، سار كل شيء بشكل مختلف. التقطت كاميرا عالية السرعة: في اللحظة الأولى بعد التلامس، تنساب القطرة كسائل عادي. وفقط بعد ذلك، عندما تنخفض سرعة الاصطدام، تتصلب فجأة وتتصرف كجسم صلب.

هزّ وعاءً مليئاً بالرمل والكرات — وسترى كيف تطفو الأجسام الكبيرة أو تغوص حسب حجمها. لكن إذا هززته بذكاء، يمكنك أن تجعل الكرات تتجمع في أزواج وسلاسل، وكأنها ملتصقة ببعضها. هذا «الغراء الخفي» هو ما تمكن فيزيائيون من الهند وألمانيا من التقاطه وقياسه لأول مرة. أخذوا وعاءً مسطحاً يحتوي على حبيبات — أقراصاً صغيرة — وتمت هزها بحيث تتحرك بشكل عشوائي، مثل الجزيئات في السائل.

في كأس من المشروب الغازي، ترتفع الفقاعات بمرح إلى الأعلى. لكن إذا جُمّد الماء، فإن بعض الفقاعات يقع في أسر الجليد. كيف تصل إلى هناك؟ فالجليد ينمو ويدفع الغاز بعيدًا — لكنه لا ينجح دائمًا. أخذ العلماء ماءً غازيًا (ماءً مذابًا فيه ثاني أكسيد الكربون) وجمّدوه بسرعات مختلفة: من 1 إلى 20 ميكرومترًا في الثانية.

غشاء الخلية الحية ليس صدفة صلبة، بل غشاء رقيق مرن، مدمجة فيه آلاف البروتينات، مثل الزبيب في العجين. عندما يغيّر البروتين شكله أو تتحرك الخلية، ينحني الغشاء: أحيانًا بشكل بالكاد ملحوظ، مثل سطح الماء عند سقوط ذرة غبار، وأحيانًا بشدة — مثل ملاءة السرير إذا مددت ساقيك تحتها.

تسبح البكتيريا مثل زورق صغير بمحرك لولبي. لكن محركها هو سوط طويل يدور ويدفع الجسم إلى الأمام. غير أن الجسم لا يتحرك باستقامة: فهو يتمايل مثل عوامة على موجة. هذا التمايل ليس صدفة، بل جزء من ميكانيكا الحركة. حتى الآن، كانت دراسة هذه التمايلات تتم في الماء الساكن. وماذا لو كان الماء يتدفق؟ ففي الطبيعة، تعيش البكتيريا دائمًا تقريبًا في سوائل متحركة: في الأنهار، وفي الأمعاء، وفي الأنابيب.

الملح في كوب الماء هو حشد من الجسيمات المشحونة. ما دام الماء وفيرًا، يسبح كل جسيم منفردًا، محاطًا بغلاف كثيف من جزيئات الماء. ولكن إذا واصلت إضافة الملح، يبدأ الماء في النفاد للجميع، وتبدأ الجسيمات في البحث عن بعضها البعض. في البداية تتشابك في أزواج، ثم في عناقيد أكبر. وفي لحظة ما تصبح العناقيد ثقيلة جدًا لدرجة أنها تسقط في القاع — وهذا هو حد الذوبان.

إذا نثرت حفنة من العملات المعدنية على طاولة، سيصبح السطح وعرًا. لكن أضف المزيد من العملات، وستنتشر من تلقاء نفسها في طبقة مستوية. شيء مشابه يحدث عندما تُرسَّب أغشية رقيقة جدًا من جزيئات فردية على ركيزة. في البداية، تظهر جزر على السطح — تتجمع الجزيئات في كتل، مثل الناس في طابور. يصبح الفيلم غير منتظم أكثر فأكثر. ولكن في لحظة ما، تبدأ الجزر في الاندماج مع بعضها البعض، وتنخفض الخشونة بشكل حاد.

قطرة قهوة على الطاولة تجف وتترك حلقة — جزيئات القهوة تتجمع عند الحافة. أما إذا كانت الجسيمات النانوية المشحونة تسبح في القطرة، تصبح الصورة أغنى: الرواسب تتشقق مثل الطين في بركة جفت. درس الفيزيائيون كيف تغير شحنة الجسيمات والسطح الذي تجف عليه القطرة هذه التشققات. في التجارب، استخدموا نوعين من جسيمات السيليكا النانوية: أحدهما سالب الشحنة والآخر موجب الشحنة.

البكتيريا في قطرة ماء تدفع وتسبح — كل واحدة بمفردها، لكنها معًا تشكل أنماطًا. عند الحركة الضعيفة، يغلي السائل مثل حساء على نار قوية: تتصادم الدوامات، ويتغير اتجاه التدفق كل ثانية. وهذا ما يسمى بالاضطراب البكتيري. في عام 1995، وصف تونر وتو كيف يمكن للكائنات المتحركة أن تصطف في تدفق جماعي، مثل سرب طيور. لكن عندما تبدأ الجسيمات في التحرك بشكل أسرع، يتغير المشهد.

في الموصل الفائق، يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا وضعنا هذه المادة في مجال مغناطيسي، تظهر داخلها دوامات — وهي عبارة عن زوابع صغيرة تنهار فيها الموصلية الفائقة. وطالما بقيت هذه الزوابع في مكانها، يتدفق التيار بحرية.

الحشية المطاطية العادية تخمد الاهتزاز مثلما تخفف البطانية السميكة الصوت: كلما كانت أكثر سماكة ووزنًا، كان ذلك أفضل. لطالما حلم المهندسون بمادة تكون خفيفة، لكنها في الوقت نفسه "تبتلع" الاهتزازات بما لا يقل عن مخمد ضخم. في العمل الجديد، تمكنوا من تجميع مثل هذه المادة من جزأين مختلفين: شبكة مرنة ناعمة مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطرات صغيرة من معدن سائل مخبأة بداخلها.

البكتيريا لا تزحف فقط على الأسطح، بل تقرر بأكملها الشكل الذي ستتخذه مستعمرتها. تخيل حشدًا من الناس يتحرك في ساحة: كل شخص يخطو بمفرده، لكنهم معًا يشكلون تيارًا. هكذا البكتيريا: كل واحدة تتحرك بطريقتها، لكنها معًا تصنع نمطًا من المسارات المتفرعة. أخذ العلماء بكتيريا Enterobacter sp. SM3، التي تعيش في الأمعاء وتساعد في التئام جدرانها.

داخل كل عضلة يعمل فريق جزيئي من المجذّفين — وهي بروتينات الميوسين التي تلتقط خيوط الأكتين بشكل دوري، وتقوم بضربة قوة، ثم تطلقها. الوقود لكل ضربة هو جزيء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) — مصدر الطاقة العالمي في الخلية. عندما يعمل العديد من هؤلاء المجذّفين بتناغم، تنقبض العضلة ويتحرك الجسم.

في وعاء به سائل زيتي، تسبح ملايين الحبيبات المغناطيسية الدقيقة، كل منها بحجم بكتيريا. شغّل المغناطيس، فتصطف الحبيبات مثل جنود مطيعين في خيوط طويلة. لكن لماذا تشكل خيوطًا وليس كتلًا؟ اتضح أن الأمر لا يتعلق بالمغناطيسية فقط. كل جسيم، أثناء تحركه في السائل، يجر معه تدفقًا، مثلما يترك المجذاف دوامات خلفه في الماء.

عندما ينمو الجنين، لا تنقسم خلاياه فحسب، بل تلامس جيرانها باستمرار، مثل الناس في حافلة مزدحمة. تحدد قوة هذه التلامسات إلى أين ستتحرك الخلية وما الشكل الذي سيتخذه النسيج. درس العلماء كيف تتغير "لزوجة" الخلايا في المراحل المبكرة جدًا من التطور. واتضح أنه حتى التغيير الطفيف في نقاط التلامس بين الخلايا يعيد ترتيب النسيج بأكمله، كما لو أن مخطط تجميع اللغز يتغير.

الماء في النهر يتدفق بانتظام حتى يصادف تضييقًا. هناك يتسارع التدفق، وقد يلتف خلف المنعطف مشكلًا دوامة. قمع مماثلة، لكن بحجم جزيء، قادرة على جمع الجسيمات في مكان واحد من تلقاء نفسها — دون مضخة أو محرك. في محاكاة جديدة، أظهرت سلسلة من عشر غرف نانوية أمرًا مدهشًا: الجانب الضيق جمع جسيمات أكثر بخمس مرات من الجانب الواسع. السبب هو عدم تماثل القمع: شكله يعمل كبوابة باتجاه واحد.

قطرة حبر في كوب ماء تنتشر من تلقاء نفسها. لكن لو كان الحبر مكونًا من محركات صغيرة، لما اكتفى بالانتشار فحسب، بل كان سيزحف ويتزاحم ويتجمع في أسراب. هذه الجسيمات التي تتحرك بنفسها تُسمى نشطة (active). يمكن تجميعها في جزيئات، كما تُنظم الخرز في سوار. والمدهش أن ترتيب الخرز في السوار يغير السلوك كله. نوعان من الجسيمات: أحدهما يدفع نفسه للأمام، والآخر في اتجاه مختلف. تم ربطهما في سلاسل قصيرة.

داخل كل خلية يوجد هيكل من الخيوط، مثل السقالات التي تمنحها شكلها وتسمح لها بالحركة. تربط هذه الخيوط بروتينات رابطة: بعضها يمسكها معًا فقط، مثل الحبال، والبعض الآخر يعمل كمحركات صغيرة تزحف على الخيوط وتسحبها نحو بعضها البعض. تعتمد قدرة الخلية على الانقسام أو الزحف أو تغيير شكلها على مدى انسجام عمل هذا الفريق.

العسل الكثيف ينتشر ببطء على الطبق. في مثل هذا العالم، حيث يخمد الاحتكاك القصور الذاتي، لا تتحكم القوة في الحركة بل اللزوجة. هكذا تتصرف العديد من المواد اللينة: المواد الهلامية البوليمرية، والمعلقات الغروية، ومحتويات الخلايا الحية.

عندما تضغط بإصبعك على قطعة من الصلصال الطري، فإنها تنضغط بطاعة، ثم تعود ببطء إلى شكلها السابق. لكن إذا ضغطت على زجاج النافذة، فإما أن يتحمل الضغط أو يتشقق — لا تشوه سلس. كلتا المادتين غير متبلورتين: ذراتهما غير مرتبة في شبكة بلورية صارمة كما في المعدن. ومع ذلك، فإنهما تتصرفان بشكل مختلف تمامًا. يكمن السر فيما يحدث على المستوى المجهري.