يطور باحثون في جامعة ستانفورد مادة جديدة تغير اللون والملمس مثل الأخطبوط

مستوحاة من قدرات التمويه الرائعة للأخطبوط والحبار، طور باحثون في جامعة ستانفورد مادة ناعمة يمكنها تغيير نسيج سطحها ولونها بسرعة بمقاييس دقيقة للغاية.

الأخطبوط والحبار هم سادة التنكر. كثير صِنف يمكن أن تغير لون بشرتها وملمسها السطحي بسرعة، وقد حاول العلماء منذ فترة طويلة إعادة إنتاج هذه الخدعة باستخدام مواد من صنع الإنسان. في ورقة نشرت في طبيعةأعلن باحثون في جامعة ستانفورد عن تقدم كبير: مادة مرنة تنتفخ إلى مواد وألوان جديدة في غضون ثوانٍ، وتشكل أنماطًا بتفاصيل أدق من شعرة الإنسان.

قال سيدهارث دوشي، طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد في جامعة ستانفورد والمؤلف الأول لهذه الورقة: “إن الأنسجة مهمة للغاية في الطريقة التي نختبر بها الأشياء، سواء في شكلها أو في شعورها”. “تستطيع هذه الحيوانات تغيير أجسامها جسديًا على نطاق قريب من الميكرون، والآن يمكننا التحكم ديناميكيًا في تضاريس المادة – والخصائص البصرية المرتبطة بها – على هذا المقياس نفسه.”

ويقول الفريق إن هذا النهج يمكن أن يحسن التمويه الديناميكي للأشخاص والروبوتات، وقد يتيح شاشات مرنة ومتغيرة الألوان للتقنيات القابلة للارتداء. تعمل النتائج أيضًا على توسيع الإمكانيات في مجال الضوئيات النانوية، وهو المجال الذي يحدد بدقة كيفية سلوك الضوء لدعم التقدم في مجال الإلكترونيات والتشفير وعلم الأحياء والمزيد.

“لا يوجد نظام آخر يمكن أن يكون بهذه النعومة والانتفاخ، ويمكنك تصميمه في مقياس النانوقال نيكولاس ميلوش، أستاذ علوم وهندسة المواد وأحد كبار مؤلفي الورقة البحثية: “يمكنك تخيل جميع أنواع التطبيقات المختلفة”.

أنماط دقيقة وقابلة للعكس

لإنشاء نسيج ديناميكي في مادة ناعمة، قام الفريق بدمج الطباعة الحجرية ذات الشعاع الإلكتروني، وهي طريقة نقش شائعة الاستخدام في تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة، مع طبقة بوليمر ممتصة للماء تتوسع مع امتصاصها للرطوبة. ومن خلال توجيه شعاع الإلكترون إلى مناطق مختارة من الفيلم، تمكنوا من ضبط مدى قوة تضخم كل منطقة، مما أدى إلى إنشاء تصميمات معقدة تظهر فقط عندما تصبح المادة مبللة.

إن اكتشاف أن شعاع الإلكترون يمكن أن يغير امتصاص البوليمر ويخلق أنماطًا من الألوان والأنسجة المختلفة كان في الأصل بمثابة مفاجأة إلى حد ما. في مشروع سابقاستخدم دوشي مجهرًا إلكترونيًا ماسحًا – والذي يستخدم شعاعًا مركّزًا من الإلكترونات لإنشاء صورة عالية الدقة – لفحص الهياكل النانوية التي أنشأها الفريق فوق فيلم بوليمر. عادة، يتم التخلص من تلك العينات بعد التصوير، لكن دوشي قرر إعادة استخدامها بدلاً من إنشاء عينات جديدة. في المجموعة التالية من الاختبارات، تصرفت مناطق الفيلم التي تم تصويرها باستخدام المجهر الماسح الإلكتروني بشكل مختلف وتحولت إلى لون مختلف.

وقال دوشي: “لقد أدركنا أنه يمكننا استخدام هذه الحزم الإلكترونية للتحكم في التضاريس بمقاييس دقيقة للغاية”. “لقد كان الأمر بالصدفة بالتأكيد.”

إن نمط شعاع الإلكترون دقيق للغاية لدرجة أن الفريق تمكن من إنشاء نسخة طبق الأصل نانوية من التكوين الصخري إل كابيتان في منتزه يوسمايت الوطني. عندما يجف، يصبح الغشاء مسطحًا تمامًا، ولكن بمجرد إضافة الماء، يرتفع شكل المونوليث عن السطح. كما قاموا بتصميم أنسجة دقيقة الحجم تغير كيفية تشتيت الضوء اعتمادًا على كمية الماء المضافة إلى الفيلم. سمح ذلك للباحثين بإنشاء تشطيبات سطحية تتراوح من اللامعة إلى غير اللامعة، مما ينتج مظهرًا أكثر واقعية مما تستطيع شاشات الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر توفيره حاليًا. يتم إرجاع كافة الأفلام بسهولة إلى حالتها المسطحة عن طريق إضافة مذيب يشبه الكحول لإزالة الماء.

أظهر الفريق أنه يمكن استخدام نفس التقنية لتصميم وكشف أنماط الألوان المعقدة والقابلة للتحويل. وضع الباحثون طبقات معدنية رفيعة على كل جانب من طبقة البوليمر المنقوشة لإنشاء رنانات Fabry-Pérot، التي تعزل أطوال موجية محددة من الضوء بناءً على المسافة بين الطبقات المعدنية. عندما تنتفخ أفلام البوليمر بعروض مختلفة، فإنها تعرض مجموعة متنوعة من الألوان. مع نفس نمط شعاع الإلكترون والمزيج المناسب من الماء والمذيبات، تصبح الورقة ذات اللون الواحد عبارة عن أعمال شغب من البقع والبقع الملونة.

قال مارك برونجرسما، أستاذ علوم وهندسة المواد وأحد كبار مؤلفي البحث: “من خلال التحكم الديناميكي في سمك وتضاريس طبقة البوليمر، يمكنك تحقيق مجموعة كبيرة جدًا من الألوان والأنسجة الجميلة”. “إن إدخال المواد اللينة التي يمكنها التوسع والتقلص وتغيير شكلها يفتح صندوق أدوات جديدًا تمامًا في عالم البصريات لمعالجة الشكل الذي تبدو عليه الأشياء.”

الاحتمالات الديناميكية

عندما قام الباحثون بدمج أفلام مختلفة في جهاز متعدد الطبقات، تمكنوا من التعامل بشكل مستقل مع كل من اللون والملمس في نفس الوقت، وتمويههم بنمط خلفية تقريبًا بمهارة مثل الأخطبوط (على الرغم من أن ذلك لا يخلو من بعض التجربة والخطأ).

في الوقت الحالي، يتطلب جعل الأفلام تتوافق بدقة مع نمط الخلفية من الباحثين ضبط مزيج الماء والمذيب يدويًا للحصول على التضاريس والألوان المناسبة. في المستقبل، يأمل الفريق في دمج نظام رؤية حاسوبي، والذي سيكون قادرًا على ضبط مستوى التورم تلقائيًا لجعل الأفلام تمتزج مع مجموعة متنوعة من الخلفيات.

وقال دوشي: “نريد أن نكون قادرين على التحكم في هذا باستخدام الشبكات العصبية – وهو في الأساس نظام قائم على الذكاء الاصطناعي – يمكنه مقارنة الجلد وخلفيته، ثم تعديله تلقائيًا ليتناسب في الوقت الفعلي، دون تدخل بشري”.

ويهتم الباحثون أيضًا بتطبيقات تتجاوز التمويه البصري. على سبيل المثال، يمكن استخدام التغييرات الدقيقة في الملمس لزيادة أو تقليل الاحتكاك، مما قد يساعد في تحديد ما إذا كان الروبوت الصغير سوف يتشبث بالسطح أو ينزلق بجانبه. يمكن للهياكل النانوية أن تغير كيفية استجابة الخلايا، لذلك قد تكون هناك استخدامات في الهندسة الحيوية لهذه التقنيات أيضًا. حتى أنهم يعملون مع فنانين في جامعة ستانفورد لإنشاء معرض باستخدام هذه المواد كوسيلة فنية.

وقال ميلوش: “أصبح من الممكن أخيرًا إجراء تغييرات صغيرة في خصائص المواد اللينة على مسافات ميكرونية، الأمر الذي سيفتح جميع أنواع الاحتمالات”. “أعتقد أن هناك الكثير من الأشياء المثيرة القادمة.”

المرجع: “الجلود الضوئية الناعمة ذات الملمس الديناميكي والتحكم في الألوان” بقلم سيدهارث دوشي، ونيكولاس أ. جوسكين، وغيروين ديك، ويوهان كارلستروم، وجينيفر إي. أورتيز كارديناس، وبيتر سوزوكي، وبوهان لي، وبولي إم. فورديس، وألبرتو ساليو، ونيكولاس أ. ميلوش، ومارك إل. برونجرسما، 7 يناير 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09948-2

تم تمويل هذا العمل من قبل زمالة الدراسات العليا بجامعة ستانفورد، وزمالة ميتا دكتوراه، وتحالف وو تساي للأداء البشري في جامعة ستانفورد، ومؤسسة جو وكلارا تساي، والأكاديمية الوطنية الألمانية للعلوم ليوبولدينا، ووزارة الطاقة، ومكتب القوات الجوية للأبحاث المدعومة، والمؤسسة الوطنية للعلوم.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.