أجهزة بلورية سائلة كولسترية ميكانيونية لقياس إجهاد ميكانيكي

مراقبة التشققات باللون

تتطور شقوق دقيقة في الجسور والأنفاق والمباني ببطء مع تقدم العمر وحمل الأحمال الثقيلة. من الضروري رصد متى تبدأ هذه الشقوق في النمو بشكل خطير، لكن ذلك غالبًا ما يتطلب اليوم إلكترونيات تستهلك طاقة أو عمليات تفتيش مكثفة بالجهد البشري. تستكشف هذه الدراسة فكرة مختلفة: مواد لينة وملونة تغير لونها المنعكس عند شدها أو ضغطها، فتُحوّل الإجهاد الخفي في الخرسانة إلى إشارة لونية سهلة الرؤية.

مادة لينة تعمل كضوء تحذير

تعتمد مراقبة البناء التقليدية على مستشعرات صلبة وأسلاك يمكن أن تكون مكلفة في التركيب والصيانة. في المقابل، تستطيع المواد اللينة مثل البوليمرات والهلام أن تنثني وتمتد وتستجيب لبيئتها بطرق دقيقة. من بين هذه المواد، تبدو البلورات السائلة — المعروفة جيدًا من شاشات العرض المسطحة — واعدة بشكل خاص لأنها تجمع بين سلوك السائل وبعض البنية المنظمة للصلب. بعض البلورات السائلة، المسماة البلورات السائلة الكولسترية، ترتب نفسها طبيعيًا في نمط حلزوني مجهري يعكس ألوانًا محددة من الضوء، تمامًا مثل مرآة مدمجة وقابلة للضبط.

كيف يصنع اللولب الصغير اللون

في البلورة السائلة الكولسترية، تنثني الجزيئات في حلزون منتظم. المسافة التي يكمل فيها الحلزون دورة كاملة تسمّى البِتْش، وهي التي تَحسم أي لون من الضوء ينعكس. البِتْش الأطول يعكس ضوءًا أكثر حمرة؛ والبِتْش الأقصر يعكس ضوءًا أكثر زرقة. وبما أن البِتْش يستجيب لتغيرات الحرارة والمجالات الكهربائية وخصوصًا للتشوه الميكانيكي في هذا العمل، فإن هذه المواد يمكن أن تعمل كمستشعرات «لون هيكلي». عندما يُضغط أو يُشدّ المَادّة بحيث يضيق الحلزون، يتحول اللون المنعكس نحو الأزرق؛ وعندما يسترخي، يعود نحو الأحمر.

بناء حبيبات تغير اللون للخرسانة

أنشأ الباحثون حبيبات ثلاثية الأبعاد صغيرة من نسخة مطاطية لبلورة سائلة كولسترية، تُعرف باسم مطاط بلوري سائل كولستري. جهزوا أولًا سائلًا بادئًا يمكن تشابكه ليشكل مادة مرنة، ثم شكّلوا قطرات بالسماح للسائل أن يسقط نقطة تلو الأخرى في حوض من زيت السيليكون. ومع تبخر المذيب ببطء، تجمدت القطيرات إلى حبيبات نصف كروية ذات البنية الحلزونية الداخلية المطلوبة. جُربت عدة طرق لتحريك السائل للتحكم في حجم وشكل الحبيبات، لكن بشكل مفاجئ كانت أبسط طريقة — ترك القطيرات تسقط بحرية دون تحريك — هي التي أنتجت أكثر الحبيبات تجانسًا وأوضح استجابة لونية متساوية.

تحويل الحبيبات إلى مستشعرات إجهاد عملية

لتحويل هذه الحبيبات الملونة إلى أجهزة قابلة للاستخدام، ضُمنت حبيبة واحدة داخل طبقات رقيقة من مطاط سيليكون شائع (PDMS)، مماثل للمانعات الشفافة المستخدمة بالفعل في العديد من التطبيقات الهندسية. عدّل الفريق صلابة هذا السيليكون بتغيير نسبة البوليمر الأساسي إلى عامل المعالجة، ثم شدّوا شرائط السيليكون أثناء مراقبة كيفية تغير لون الانعكاس للحبيبة. أظهرت الحبيبات المُعرضة بحرية، عند الضغط المباشر، تحولًا قويًا من الأحمر إلى الأزرق مع زيادة الضغط، مما يدل على أن الحلزون الداخلي كان يضيق كما هو مقصود. عند تضمينها في السيليكون، استمرت الحبيبات في تغيير اللون تحت الشد، لكن شدة ووضوح الإشارة اعتمدا اعتمادًا كبيرًا على صلابة طبقة السيليكون وكمية الضوء الخلفي المارة عبرها.

ما تكشفه تحولات اللون

بالنسبة لعينات السيليكون الأكثر صلابة، أظهرت الحبيبات المضمنة تحولًا لونيًا واضحًا وقابلًا للتكرار نحو أطوال موجية أقصر مع شد الشريط، بما يتوافق مع ما أُبلغ عنه في دراسات سابقة على مواد مماثلة. استمرت تغييرات اللون عبر نطاق واسع من الإجهاد — حتى حوالي امتداد بنسبة 170 في المئة — قبل أن تنكسر العينات، مما يشير إلى أن النظام يمكنه الإبلاغ عن تشوهات كبيرة. ومع ذلك، سمح السيليكون الأطرى أو الأكثر شفافية بمرور قدر كبير من الضوء الخلفي بحيث أصبح من الصعب تمييز لون الحبيبة، خاصة عند الإجهادات الأعلى. وقد أبرز ذلك مدى أهمية المصفوفة المحيطة في نقل القوى الميكانيكية والحفاظ على إشارة بصرية نقية.

طريقة بسيطة وخالية من الطاقة لرصد إجهاد الهياكل

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن حبيبات مطاط البلورة السائلة الكولسترية يمكن أن تعمل كمستشعرات إجهاد مدمجة وبصرية بحتة يمكن لصقها مباشرة على أسطح الخرسانة. مع فتح أو اتساع الشق، سيشدّ أو يضغط الشريط الحاوي على الحبيبات محليًا، مسببًا تحولًا لونيًا مرئيًا وقابلًا للعودة عبر جزء كبير من الطيف المرئي. وبما أن هذه الأجهزة لا تحتاج إلى أسلاك أو إلكترونيات أو مصدر طاقة، فقد توفر وسيلة منخفضة التكلفة وسهلة القراءة لتحديد أماكن نمو التشققات وسرعتها. ستركز الجهود المستقبلية على إقران الحبيبات بمواد مضيفة أكثر صلابة وشفافية لجعل الاستجابة اللونية أكثر حساسية للتشوهات الصغيرة في مراحلها المبكرة، مما يزيد فرص اكتشاف مشاكل هيكلية قبل أن تصبح حرجة.

الاستشهاد: Sousa, F., Santos, J., Malta, J.F. et al. Mechanochromic cholesteric liquid crystal devices for mechanical strain detection. Sci Rep 16, 6298 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37723-4

الكلمات المفتاحية: مستشعرات البلورات السائلة, مواد ميكانيونية اللون, مراقبة صحة الهياكل, كشف تشققات الخرسانة, مواد لينة ذكية