طور زجاجي دوار متوازن يتشكّل من قضبان كولويدية متناحرة طويلة المدى

صلب غريب يتصرف نصفه كسائل

المواد اليومية مثل زجاج النوافذ أو الجليد تبدو بسيطة: إما صلبة أو سائلة. لكن على المستوى المجهري، قد تتخذ المادة حالات أكثر غرابة وصعوبة في الإمساك بها. تكشف هذه الدراسة عن نوع جديد من الطور «الزجاجي» المتوازن المصنوع من قضبان شاحنة صغيرة معلقة في سائل. في هذا الطور، تتغير مواقع القضبان بالكاد كما في الصلب، ومع ذلك تواصل الدوران بحرية تقريبًا كما في السائل. فهم هذا السلوك الهجين قد يعيد تشكيل طريقة تفكير العلماء حول الزجاج والبلورات وتصميم مواد ذكية قابلة للتبديل.

قضبان صغيرة لكن لها قصة كبيرة

عمل الباحثون مع قضبان من السيليكا المجهرية المبعثرة في مذيبات. كان طول كل قضيب عدة ميكرومترات — أصغر بآلاف المرات من حبة رمل — وحاملاً شحنة كهربائية، لذا كانت القضبان المتجاورة تتنافر. من خلال ضبط محتوى الملح في السائل وتركيز القضبان، استطاع الفريق التحكم في مدى وقوة التنافر. عند تراكيز منخفضة ونطاق تداخل قصير، شكّلت القضبان هياكل سائلة-بلورية مألوفة حيث تصطف في طبقات لكنها لا تزال تتدفق. عند خفض كمية الملح، أصبح التنافر الكهربائي طويل المدى، وفي كثافة متوسطة للقضبان تشكل ما يُسمى بلورة دوارة: كانت القضبان جاثمة على شبكة منتظمة كذرات البلورة لكنها حرة في الدوران.

عندما تمنع الاكتظاظ الحركة لكن ليس الدوران

عند زيادة عدد القضبان أكثر تحت ظروف التنافر طويل المدى، قام النظام بشيء غير متوقع. بدلاً من تشكيل بلورة أكثر صلابة، انهار النمط المكاني المنتظم. أصبحت القضبان مكتظة وغير منتظمة في المواقع، ومع ذلك احتفظت بحرية كبيرة للدوران. أظهر تتبع دقيق لآلاف القضبان في ثلاثة أبعاد أن مراكزها كانت محبوسة فعليًا في أقفاص شكلها الجيران: الحركة الانتقالية تباطأت بنحو درجتين من الحجم، وهو علامة مميزة للتجمّد الزجاجي. في المقابل، تغيّرت اتجاهاتها نسبيًا بسرعة أكبر، مما يدل على بقاء الدورانات شبيهة بالسائل على نفس النطاقات الزمنية. كما أظهرت القياسات البنيوية ترتيبًا موضعياً قليل المدى فقط، مؤكدةً أن الأمر لم يكن مجرد بلورة معيبة بل طور أمورفيّ حقيقي يتكوّن زجاجيًا وفي الوقت نفسه يبقى في حالة توازن حراري.

نماذج الحاسوب تكشف الإحباط الخفي

لكشف سبب تشكّل هذا الزجاج الدوار، بنى الفريق محاكاة حاسوبية لقضبان مشحونة مبسطة، نمّوها كسلاسل من المقاطع المتنافرة. رسمت حسابات الطاقة الحرة خريطة كيف ينبغي لنظام مثالي أن يتصرف مع تغير الكثافة وقوة التفاعل. أعادت المحاكاة تسلسلًا يتحول فيه السائل إلى بلورة دوارة عند كثافات متوسطة، ثم يعود إلى طور غير منتظم عند كثافات أعلى. يكمن المفتاح في الإحباط: عند الكثافة المنخفضة، تكون القضبان متباعدة وتتفاعل تقريبًا بشكل متناظر، ما يفضّل بلورة منتظمة. مع زيادة الكثافة، يبدأ شكل كل قضيب واتجاهه بالتأثير، فتختلف التفاعلات الفعالة بين أزواج الجيران، مما يحاكي نظامًا فيه العديد من «الأنواع» المختلفة من الجسيمات مختلطة معًا. تُصعّب هذه التفاوتية الفعالة في الخصائص استقرار القضبان على شبكة منتظمة واحدة، مما يروّج لترتيبٍ غير منتظم يشبه الزجاج.

التبديل بين الزجاج والبلورة بحقل كهربائي

بما أن القضبان مشحونة، يمكن لحقل كهربائي متناوب مطبق أن يدفعها للانحياز على طول اتجاه الحقل دون أن يجذبها نحو بعض. عندما عرض الباحثون الطور الزجاجي الدوار لحقل قوي عالي التردد، استقامت القضبان تدريجيًا وأُعيد تنظيمها إلى بلورة ممتدة ثلاثية الأبعاد. والأهم أن هذا التحول تضمن تحرّكات موضعية بسيطة فقط: عدد الجيران حول كل جسيم لم يتغير تقريبًا. إيقاف تشغيل الحقل أعاد العملية إلى الوراء. ذابت البلورة المرتبة وعادت إلى حالة شبيهة بالزجاج الدوار، وكشفت الدورات المتكررة عن تأرجح يميّز انتقالًا من الدرجة الأولى. تُظهر هذه التجارب أن الطور الزجاجي ليس مجرد حالة عالقة خارج التوازن، بل له طاقة حرة أقل من البلورة المستحثة بالحقل تحت نفس الشروط.

لماذا يهم هذا في فهم الزجاج

اكتشاف طور زجاجي متوازن تتجمد فيه الجسيمات في أماكنها لكنها حرة في الدوران يتحدى الرأي الشائع بأن الزجاجات التركيبية دائمًا مواد محبوسة وخارجة عن التوازن. يبيّن أن الحركات الانتقالية والدورانية يمكن أن تنفصل بطرق متطرفة، منتجةً صلبًا زجاجيًا من ناحية الموضع لكنه سائل من ناحية الاتجاه. تشير الدراسة إلى أن أطوار زجاجية دوارة مشابهة قد تظهر في جسيمات نانوية قضيبية أخرى أو حتى في أنظمة جزيئية ذات تنافر طويل المدى. ومن خلال توفير نظام نظيف وقابل للتحكم حيث يمكن تتبّع الجسيمات الفردية وتدويراتها، تفتح هذه الدراسة مسارات جديدة لنظريات انتقال الزجاج ولتصميم مواد يمكن ضبط صلابتها وحريتها الداخلية في الحركة عند الطلب.

الاستشهاد: Besseling, T.H., van der Meer, B., Liu, B. et al. An equilibrium rotator glass-forming phase for long-ranged repulsive colloidal rods. Nat Commun 17, 2410 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70295-5

الكلمات المفتاحية: زجاج كولويدي, طور دوار, قضبان نانوية مشحونة, انتقال إلى الحالة الزجاجية, التحكم بالحقل الكهربائي