النمو الذاتي القابل للعكس لهياكل دقيقة ذات نسبة ارتفاع عالية محفورة بالليزر الفيمتوثاني

أسطح تغير شكلها عند الطلب

تخيل ورقة من المطاط اللين قادرة على أن تنبت نتوءات صغيرة ومنظمة خلال ثوانٍ، ثم تعود لتصبح سطحًا أملس كما لو لم يحدث شيء. هذه الدراسة تقدم مادة قادرة بالضبط على هذا التحوّل في الشكل. توفر طريقة سريعة وقابلة للعكس لصنع نتوءات وأعمدة مجهرية قد تحسّن قراءة اللمس للمكفوفين، أو تخفي رسائل سرية، أو تخلق طلاءات ذكية يغيّر نسيجها بأمر.

التعلّم من جلود الطبيعة المتحركة

في الطبيعة، تستخدم الحيوانات تغيّرات نسيج الجلد للإمساك أو التمسك أو التمويه. حاول العلماء تقليد هذه الحيل منذ زمن، لكن الطرق القائمة غالبًا ما تعتمد على تفاعلات كيميائية بطيئة، أو مكوّنات سامة، أو تغيّرات شكل تحدث مرة واحدة فقط. الهياكل البلاستيكية "النموِّية" السابقة عادةً ارتفعت قليلًا فقط عن السطح ولم تكن قابلة للضبط بسرعة أو بشكل عكسي. النهج الجديد، المسمى النمو الذاتي للبوليمر الناتج عن الشد (SIPS)، يتجاوز هذه القيود باستبدال الكيمياء البطيئة بآليات ميكانيكية بسيطة: الشد والقطع وإرخاء صفائح مطاطية لينة.

كيف نزرع ونمحو أعمدة مجهرية

الفكرة الأساسية بسيطة. غشاء مرن رقيق—كالسليكون أو البولي يوريثان أو الهيدروجيل—يُشَد أولاً بقوة، مثل سطح الطبل، في اتجاهين. بينما يكون مشدودًا، يرسم ليزر فائق السرعة من نوع الفيمتوثانية أشكالًا مغلقة صغيرة (مثل دوائر أو مربعات) على سطحه، يقطع بعضها داخل المادة. تتيح هذه القطوع للمادّة المتوترة حولها أن ترتاح وتنجذب إلى الداخل، فدفعٌ لجزء صغير إلى الأعلى ليشكّل عمودًا ثلاثي الأبعاد. كلما قطع الليزر بعمق أكثر على نفس المسار، انكمش مزيد من المادة نحو المركز ونما العمود ليصل إلى ارتفاعات مماثلة أو أكبر من عرضه. تُظهر محاكاة الحاسوب أن هذا النمو يتحكم فيه حرفيًا مقبضان: مقدار الشد على الشريحة وعمق قطع الليزر.

التحكم العكسي في الشكل وأعمدة قابلة للانحناء

من خصائص SIPS الرئيسية أنها قابلة للعكس. عندما يُفرَج عن الشد على الغشاء، يرتاح المحيط ويزداد سمكًا مرة أخرى، فيغوص العمود ويصبح السطح شبه مسطح. شد الشريحة مرة أخرى يعيد ظهور نفس العمود خلال ثوانٍ. تحافظ مصفوفات هذه الأعمدة على تباعدها وشكلها العام عبر دورات شد–إرخاء عديدة، ما يدل على أن العملية مستقرة ميكانيكيًا وليست تشويهًا يحدث مرة واحدة. عبر قطع أكثر على جهة من الجهة الأخرى، يمكن للفريق أيضًا صنع أعمدة تميل في اتجاه مختار بدلًا من الوقوف قائمًا. يحدث هذا الانحناء بسبب تحرير توتر غير متساوٍ على جانبي العمود ويمكن ضبطه بدقة عبر تعديل قوة ومكان كتابة الليزر.

من مخالب مجهرية إلى برايل قابلة للتعديل

بما أن الأعمدة طويلة ونحيلة، فهي جيدة بشكل خاص في التفاعل مع الأجسام الصغيرة ومع اللمس البشري. بنى الباحثون هياكل تشبه المخالب من عدة أعمدة تنحني إلى الداخل يمكنها التقاط وإطلاق كريات زجاجية مجهرية بحسب الطلب بمجرد شد أو إرخاء الشريحة. كما صنعوا حروف برايل من مصفوفات الأعمدة. عبر تغيير مقدار الشد على الغشاء، يمكن ضبط كل من الفجوة بين النقاط وارتفاعها بشكل مستمر—مما يجعل النمط أسهل أو أصعب في اللمس. في اختبارات مع تلاميذ يتعلمون برايل، أظهر كل متعلم مستوى شدًا مختلفًا عنده استطاع تمييز الحروف بثبات، ما يشير إلى أن هذه المنصة قد تكيّف التدريب حسب حساسية ومهارة الشخص. في عرض آخر، استُخدمت اتجاهات انحناء الأعمدة المشكّلة لترميز عبارة مثل شفرة مورس لمسية: عند الشد كانت "الرسالة" قابلة للقراءة بالعين أو باللمس؛ وعند الإرخاء اختفت الأعمدة داخل السطح، تاركة آثار ليزر باهتة فقط.

لماذا يهم هذا للأسطح الذكية المستقبلية

بشكل عام، تُظهِر هذه العمل أن الشد والكتابة بالليزر وإرخاء مواد لينة شائعة يمكن أن تنتج هياكل دقيقة دقيقة النسبة تنمو وتختفي بأمر. بخلاف طرق النمو الكيميائي، فإن SIPS سريعة، وتستخدم مطاطيات متاحة على نطاق واسع، وتتجنب وصفات معقدة. وبما أن التقنية تعمل مع مواد متعددة ويمكن نظريًا دمجها مع جسيمات مضافة لوظائف بصرية أو كهربائية أو مغناطيسية إضافية، فهي تقدم مسارًا قويًا جديدًا نحو أسطح قابلة للتكيّف، وشاشات لمسية، وأجهزة دقيقة لينة أخرى تعيد تكوين نفسها ماديًا استجابةً لشكل الشد عليها.

الاستشهاد: Zhang, Y., Zhang, N., Wu, D. et al. Stretch-induced reversible self-growth of high aspect ratio microstructures scribed by femtosecond laser. Nat Commun 17, 2124 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70098-8

الكلمات المفتاحية: أسطح ذكية, هياكل دقيقة, شاشة لمسية, بوليمرات مرنة, معالجة بالليزر