تحول نموذجي في ديناميكيات الموائع
زيوريخ ــ لقرون عديدة، كان التمييز الأساسي بين المواد الصلبة والسوائل واضحاً: المواد الصلبة تنكسر، وتتدفق السوائل. لكن الاكتشاف الرائد الذي توصل إليه الباحثون في معهد زيورخ للفنون التطبيقية (ZPI) يتحدى هذا المبدأ الأساسي. في سلسلة من التجارب التي تم التحكم فيها بدقة، لاحظ العلماء أن السوائل العادية، عند تعرضها لقوى معينة، تنفصل عن بعضها مع حدوث كسر مفاجئ وحاد يرتبط عادةً بالمواد الصلبة.
ونُشرت هذا الأسبوع في مجلة Nature Physics المرموقة، وهي تقلب الافتراضات القديمة حول ميكانيكا الموائع رأسًا على عقب. تصف الدكتورة لينا بيتروفا، المؤلفة الرئيسية وأستاذة علوم المواد في ZPI، هذه الظاهرة بأنها مذهلة وذات أهمية كبيرة. وأوضحت الدكتورة بتروفا في مؤتمر صحفي يوم الثلاثاء: "لقد فهمنا دائمًا أن السوائل تضعف وتتمدد وتنفصل في النهاية إلى قطرات أو تيارات تحت الضغط". "إن رؤية سائل ينفصل فجأة، بشكل فوري تقريبًا، كما لو كان قطعة من البلاستيك أو المعدن الهش، يجبرنا على إعادة التفكير تمامًا في الديناميكيات الداخلية لهذه المواد اليومية."
الكشف عن الكسر المخفي للسائل
حقق فريق ZPI هذه الملاحظة غير المسبوقة باستخدام مقياس ريومتر مصمم خصيصًا مقترنًا بكاميرا فائقة السرعة، قادرة على التقاط الأحداث بمعدل 100000 إطار في الثانية. ركزوا على السوائل عالية اللزوجة، وعلى وجه التحديد مزيج بولي (ثنائي ميثيل سيلوكسان) وزيت السيليكون عالي الوزن الجزيئي مع لزوجة تتجاوز 100000 سنتيستوك (cSt). تم سحب السوائل إلى قنوات ميكروفلويديك بعرض 50 ميكرومتر فقط وتم إخضاعها لقوى شد متزايدة بسرعة، تتجاوز 100 كيلوباسكال (كيلو باسكال).
"ما رأيناه لم يكن التعنق والترقق التدريجي الذي توقعناه"، أوضحت الدكتورة بتروفا، وهي تعرض مقطع فيديو بالحركة البطيئة. "بدلاً من ذلك، عند نقطة إجهاد حرجة، ينتشر خط كسر نظيف عبر السائل، مما يؤدي إلى إنشاء سطحين متميزين ومحددين بدقة. لقد كان دقيقًا بشكل لا يصدق، وشبه جراحي." وقد حدث الكسر خلال أجزاء من الثانية فقط، مما لم يترك أي وقت لتشوه السائل أو تدفقه بالمعنى التقليدي. يحاكي هذا الانفصال السريع بقوة الكسر الهش الذي يظهر في المواد الصلبة، حيث يتم كسر الروابط عبر مستوى بدلاً من تمديدها وإعادة ترتيبها.
الالتواء اللزج: تحدي النماذج القديمة
الأهم من ذلك، أن فريق ZPI قرر أن سلوك الالتقاط هذا ليس مدفوعًا بالمرونة، كما قد يُفترض بشكل بديهي. المرونة هي قدرة المادة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد تشوهها، وهي خاصية ترتبط بشكل أكثر شيوعًا بالمواد الصلبة المطاطية أو السوائل اللزجة المرنة التي تظهر خصائص سائلة وصلبة. وبدلاً من ذلك، يشير بحث الدكتورة بتروفا إلى اللزوجة - مقاومة السائل للتدفق - باعتبارها العامل الأساسي.
قال الدكتور كاي بيرجمان، المؤلف المشارك وعالم الفيزياء النظرية في المشروع: "تشير نماذجنا إلى أنه في هذه السوائل عالية اللزوجة، في ظل التمدد السريع والمكثف، يؤدي الاحتكاك الجزيئي الداخلي والتشابك إلى زيادة الضغط بشكل أسرع من قدرة الجزيئات على إعادة ترتيب نفسها عن طريق التدفق". "في الأساس، يصبح السائل "محشورًا" على المستوى الجزيئي، وعندما تصبح القوة كبيرة جدًا، يفشل الهيكل بشكل كارثي، مما يؤدي إلى الكسر بدلاً من الانفصال السلس. إنه فشل هش مدفوع باللزوجة، وهو مفهوم كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل بالنسبة للسوائل الحقيقية". يتحدى هذا الاكتشاف بشكل أساسي الفهم الكلاسيكي لميكانيكا الموائع، والذي يتنبأ إلى حد كبير بالتشوه المستمر والتدفق تحت الضغط.
ما وراء المختبر: آثار العالم الحقيقي
تمتد الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من حدود مختبر الأبحاث. يمكن للصناعات التي تتراوح بين التصنيع المتقدم والهندسة الطبية الحيوية أن تشهد تحولات كبيرة في كيفية التعامل مع المواد ومعالجتها. على سبيل المثال، يمكن تحسين أو إعادة تصميم العمليات التي تنطوي على قذف البوليمرات عالية اللزوجة، أو تطبيق الطلاءات المتخصصة، أو حتى الطباعة الدقيقة ثلاثية الأبعاد باستخدام الراتنجات السائلة باستخدام هذا الفهم الجديد.
"تخيل سيناريو في الموائع الدقيقة حيث تحتاج إلى فصل كمية صغيرة من السائل بدقة دون أي خيوط متبقية، أو في التصنيع الإضافي حيث يمكن أن يؤدي التحكم في نقطة الانكسار الدقيقة لنفث البوليمر إلى دقة غير مسبوقة"، كما اقترحت الدكتورة بيتروفا. "وهذا يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لفهم الظواهر الطبيعية، مثل سلوك الصهارة تحت ضغط شديد أو ديناميكيات بعض السوائل البيولوجية." يمكن أن تؤدي القدرة على التنبؤ بكسر السائل هذا والتحكم فيه إلى تطوير مواد جديدة ذات خصائص كسر مخصصة أو عمليات صناعية أكثر كفاءة.
الطريق إلى الأمام لديناميكيات الموائع
يقوم فريق ZPI الآن بتوسيع أبحاثه للتحقيق في مجموعة واسعة من السوائل، بما في ذلك المعلقات المعقدة والمستحلبات، واستكشاف تأثيرات درجة الحرارة والضغط على ظاهرة الكسر هذه. ويخططون أيضًا لتطوير نماذج نظرية أكثر تعقيدًا لالتقاط التفاعلات الجزيئية المعقدة بشكل كامل. يمثل هذا الاكتشاف علامة بارزة، حيث يحث العلماء على إعادة النظر في النظريات الأساسية للمادة وربما يؤدي إلى فئة جديدة من هندسة المواد.
