اللامتناظرة الميكانيكية في مطاطيات البلّورات السائلة المبرمجة بالشكل تحت إجهاد انضغاطي ومركبات مطاطيات البلّورات السائلة المشتتة في البوليمر

مواد لينة تتذكر شكلها

تخيل كتلة مطاطية لا تتغير شكلها عندما تضغط أو تسخّن فحسب، بل أيضاً «تتذكر» هذا الشكل الجديد وتستجيب بشكل مختلف اعتماداً على الاتجاه الذي تضغطها منه. تستكشف هذه الدراسة مثل هذه المواد اللينة ذات ذاكرة الشكل المصنوعة من مطاطيات البلّورات السائلة ومركباتها. يوضح العمل كيف أن مجرد انضغاط هذه المواد يمكن أن يبرمجها لتكتسب صلابة موجهة مضمّنة، مما يفتح آفاقاً لروبوتات لينة مستقبلية ووسادات متكيّفة ومكوّنات واقية تتفاعل بذكاء مع القوى.

مكوّنات مطاط ذكي

المكوّن الأساسي هو مطاط خاص يُسمى مطاط البلّورات السائلة. داخل هذا المطاط، يمكن للجزيئات القصيرة الشبيهة بالقضبان أن تنظم نفسها، قليلاً مثل حبيبات الخشب التي تشير كلها في اتجاه مشابه. عند التسخين، يلين المادة بشكل كبير؛ وعند التبريد، تتصلب وتُجمد أي شكل كانت عليه عند درجة الحرارة العالية. درس الباحثون أولاً كتلة صلبة مكوّنة فقط من هذه المادة. من خلال تدوير درجات الحرارة أثناء الضغط عليها، استطاعوا ضغط الكتلة إلى شكل جديد ثم تبريدها بحيث يتم تجميد الهندسة الجديدة. سمح لهم هذا الإجراء باختيار كيفية ترتيب القضبان الجزيئية الداخلية وفي المقابل كيف تتصرف الكتلة عند الضغط عليها من اتجاهات مختلفة.

تعليم مادة أن تقاوم في اتجاه واحد

عندما ضغط الفريق مطاط البلّورات السائلة النقي، وجدوا أن صلابته أصبحت موجّهة بشدة. أصبحت المادة ألطف على طول الاتجاه الذي تم ضغطها فيه وأكثر صلابة في الاتجاهات الجانبية. يكشف هذا السلوك أن القضبان الداخلية دارت لتشكّل نمطاً يقع في الغالب عبر اتجاه الانضغاط بدلاً من طوله. بعبارة فيزيائية، هذه حالة ترتيب «سلبية» يصعب الوصول إليها بعملية الشد وحدها. باستخدام قياسات ميكانيكية ونظرية موجودة، قدّر المؤلفون أنه تحت انضغاط قوي تقترب القضبان الداخلية من ترتيب جانبي شبه مثالي. مسح تسخين المادة مرة أخرى فوق انتقال معيّن محو الشكل وهذا السلوك الاتجاهي، مما يدل على أن التأثير قابل للبرمجة بالكامل وإعادة التعيين.

نشر جزيئات ذكية في مصفوفة لينة

بعد ذلك، دمج الباحثون قطعاً صغيرة من نفس مطاط البلّورات السائلة داخل سيليكون عادي شبيه بالمواد السدادية التجارية، مكوّنين مركباً يُعرف بمطاط البلّورات السائلة المشتت في بوليمر. في هذا الخليط، يتصرف السيليكون كخلفية لينة وغير موجهة، بينما تحمِل الشوائب الصغيرة ذاكرة الشكل والخصائص الاتجاهية. عندما تم ضغط الكتلة المركبة وتدويرها حرارياً، تذكّرت أيضاً شكلها الجديد. انخفضت صلابتها مرة أخرى على طول اتجاه الانضغاط وازدادَت جانبياً، وإن كانت التغييرات ألطف مما كانت في المادة النقية لأن مصفوفة السيليكون تخفف التأثير. كشف التصوير المجهري أن الشوائب، التي كانت في البداية تقريباً دائرية، انقبضت لتأخذ أشكال أقراصية حيث استقرت القضبان الداخلية داخل مستوى القرص، كلها مصطفة جانبياً بالنسبة للإجهاد المطبق.

كيف تتحكم شكل الجسيمات وتباعدها بالسلوك

ثم فحص الفريق كيف يؤثر مقدار وتباعد هذه الجسيمات الذكية على استجابة المركب. عند تحميل معتدل، حيث تكاد الجسيمات تلامس بعضها لكن لا تتواصل تماماً، أظهر المركب سلوكاً اتجاهياً قوياً مماثلاً للمطاط النقي. عند تحميل منخفض، كان بإمكان كل جزيء التشوّه بحرية أكبر، مما أنتج أيضاً تأثيرات اتجاهية ملحوظة، لكن الصلابة الإجمالية بقيت أدنى لأن هناك مزيداً من السيليكون اللين بين الجسيمات. عند تحميل عالي جداً، حيث تكتظ الجسيمات معاً، ظل المركب يتذكر شكله لكنه أصبح شبه مستقل عن الاتجاه مجدداً: لم يكن هناك متسع لكل جزيء لأن يتفلطح ويصطف بطريقة منتظمة. لتفسير هذه الاتجاهات، عدّل المؤلفون نموذجاً هندسياً قياسياً يربط صلابة المركب بشكل الجسيمات واتجاهها وتركيزها، وأظهروا أن كلّاً من تغيير هندسة الجسيمات ومحاذاة جزيئاتها الداخلية أمران حاسمان.

ما يعنيه هذا للأجهزة اللينة المستقبلية

بعبارات يومية، يوضح هذا العمل كيفية ضبط مادة لينة شبيهة بالمطاط بحيث يمكن ضغطها إلى شكل مرغوب وفي الوقت نفسه برمجتها لتكون أكثر صلابة في بعض الاتجاهات منها في أخرى. يمنح المطاط النقي أقوى التغيرات الاتجاهية، لكن خلطه بمصفوفة سيليكون يجعل المادة أسهل في التشكيل، وأرخص، ولا تزال قابلة للبرمجة إلى حد كبير. من خلال اختيار كمية الجسيمات النشطة المضافة والطريقة التي يُضغط بها المادة، يمكن للمصممين ضبط الاستجابة بين تقريباً موحّدة إلى صلابة أحادية الجانب قوية، وكل ذلك بطريقة قابلة لإعادة التعيين. يمكن أن يؤسس هذا التحكم لأجيال قادمة من الآلات اللينة، والدعائم القابلة للارتداء، وقطع امتصاص الصدمات التي تتكيّف مع مرور الوقت بحسب كيفية استخدامها.

الاستشهاد: Lavrič, M., Racman Knez, L., Domenici, V. et al. Mechanical anisotropy in compressive-stress shape-programmed liquid crystal elastomers and polymer-dispersed liquid crystal elastomer composites. npj Soft Matter 2, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00022-z

الكلمات المفتاحية: مطاطيات البلّورات السائلة, مواد ذاكرة الشكل, مركبات لينة, لا متناظرة ميكانيكية, بوليمرات ذكية