ابتكر الفيزيائيون “بلورة زمنية” مرئية ومستدامة ذاتيًا باستخدام بلورات سائلة دوارة تتحرك في أنماط متكررة لا نهاية لها عند إضاءتها.

تخيل ساعة تعمل إلى الأبد بدون بطاريات أو أسلاك، وتدور عقاربها من تلقاء نفسها دون توقف.

وفي دراسة حديثة، توصل علماء الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر استخدمت البلورات السائلة، وهي نفس المواد الموجودة في شاشات الهواتف، لبناء شيء يعكس هذه الفكرة. أنتج عملهم شكلاً جديدًا لما يُعرف باسم “البلورة الزمنية”، وهي مرحلة من المادة تظل فيها مكونات مثل الذرات أو الجسيمات في حركة مستمرة.

وعلى الرغم من أنه تم إنشاء بلورات الزمن من قبل، إلا أن هذا الإصدار هو الأول الذي يمكن مشاهدته مباشرة، مما قد يفتح الباب أمام الاستخدامات العملية.

وقال هانكينغ تشاو، المؤلف الرئيسي للدراسة وطالب دراسات عليا في قسم الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر: “يمكن ملاحظتها مباشرة تحت المجهر، وحتى بالعين المجردة في ظل ظروف خاصة”.

نشر تشاو وإيفان سماليوخ، أستاذ الفيزياء وزميل معهد الطاقة المتجددة والمستدامة (RASEI)، مؤخرًا النتائج التي توصلوا إليها في مجلة

مواد الطبيعة.

ومن أجل تجربتهم، قام الفريق بإعداد خلايا زجاجية مملوءة ببلورات سائلة مصنوعة من جزيئات تشبه القضبان تتصرف جزئيًا مثل المواد الصلبة وجزئيًا مثل السوائل. عندما تضاء هذه الجزيئات في ظروف معينة، فإنها تبدأ في التحول والدوران، وتشكل حركات تتكرر في تسلسلات متكررة.

عند النظر إليها من خلال المجهر، تعرض العينات أنماطًا تبدو وكأنها خطوط ملونة وغير منتظمة، ويمكن أن تستمر هذه الحركات لساعات، مرددًا فكرة الساعة التي لا نهاية لها.

قال سماليوخ: “كل شيء يولد من لا شيء”. “كل ما تفعله هو تسليط الضوء، وسيظهر هذا العالم كله من بلورات الزمن.”

تشاو وسماليوخ هما عضوان في قمر كولورادو الصناعي التابع للمعهد الدولي للاستدامة مع المواد الفوقية العقدية (WPI-SKCM2) ومقره في جامعة هيروشيما في اليابان، وهو معهد دولي مهمته إنشاء أشكال اصطناعية من المادة والمساهمة في الاستدامة.

بلورات في المكان والزمان

قد تبدو البلورات الزمنية وكأنها شيء من الخيال العلمي، ولكنها تستمد إلهامها من البلورات الموجودة في الطبيعة، مثل الماس أو ملح الطعام.

الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلتشيك أولا اقترح فكرة بلورات الزمن في عام 2012. يمكنك التفكير في البلورات التقليدية على أنها “بلورات فضائية”. على سبيل المثال، تشكل ذرات الكربون التي تشكل الماس نمطًا شبكيًا في الفضاء يصعب جدًا تفكيكه. تساءل ويلتشيك عما إذا كان من الممكن بناء بلورة منظمة بشكل جيد، باستثناء الزمان وليس المكان. حتى في حالة الراحة، فإن الذرات في مثل هذه الحالة لن تشكل نمطًا شبكيًا، ولكنها ستتحرك أو تتحول في دورة لا تنتهي أبدًا – مثل صورة GIF التي تتكرر إلى الأبد.

ثبت أن مفهوم ويلتشيك الأصلي مستحيل التنفيذ، ولكن في السنوات التي تلت ذلك، تمكن العلماء من خلق مراحل من المادة تقترب بشكل معقول.

في عام 2021، على سبيل المثال، استخدم الفيزيائيون الحاسوب الكمي Sycamore من جوجل لإنشاء شبكة خاصة من الذرات. وعندما حرك الفريق تلك الذرات بشعاع ليزر، تعرضت لتقلبات تكررت عدة مرات.

بلورات الرقص

في الدراسة الجديدة، شرع تشاو وسماليوخ في معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحقيق إنجاز مماثل باستخدام البلورات السائلة.

وأوضح سماليوخ أنه إذا ضغطت على هذه الجزيئات بالطريقة الصحيحة، فسوف تتجمع معًا بإحكام شديد لتشكل مكامن الخلل. ومن اللافت للنظر أن هذه الالتواءات تتحرك ويمكنها، في ظل ظروف معينة، أن تتصرف مثل الذرات.

قال سماليوخ: “لديك هذه التقلبات، ولا يمكنك إزالتها بسهولة”. “إنها تتصرف مثل الجسيمات وتبدأ في التفاعل مع بعضها البعض.”

في الدراسة الحالية، قام سماليوخ وتشاو بوضع محلول من البلورات السائلة بين قطعتين من الزجاج مطليتين بجزيئات صبغية. ظلت هذه العينات في الغالب ساكنة من تلقاء نفسها. ولكن عندما ضربتهم المجموعة بنوع معين من الضوء، غيرت جزيئات الصبغة اتجاهها وضغطت على البلورات السائلة. وفي هذه العملية، تشكلت فجأة الآلاف من مكامن الخلل الجديدة.

بدأت تلك مكامن الخلل أيضًا في التفاعل مع بعضها البعض باتباع سلسلة من الخطوات المعقدة بشكل لا يصدق. فكر في غرفة مليئة بالراقصين في إحدى روايات جين أوستن. يتفكك الأزواج ويدورون حول الغرفة ويعودون معًا ويفعلون ذلك مرة أخرى. وكان من الصعب أيضًا كسر الأنماط الزمنية بشكل غير عادي، حيث تمكن الباحثون من رفع درجة حرارة عيناتهم أو خفضها دون تعطيل حركة البلورات السائلة.

قال سماليوخ: “هذا هو جمال بلورة الزمن هذه”. “أنت فقط تخلق بعض الظروف التي ليست مميزة. أنت تسلط الضوء، ويحدث الأمر برمته.”

يقول تشاو وسماليوخ إن مثل هذه البلورات الزمنية يمكن أن يكون لها استخدامات متعددة. يمكن للحكومات، على سبيل المثال، إضافة هذه المواد إلى الأوراق النقدية لجعلها أكثر صعوبة في التزييف – إذا كنت تريد معرفة ما إذا كانت ورقة الـ 100 دولار هذه أصلية، فما عليك سوى تسليط الضوء على “العلامة المائية الزمنية” ومشاهدة النمط الذي يظهر. ومن خلال تكديس عدة بلورات زمنية مختلفة، يمكن للمجموعة إنشاء أنماط أكثر تعقيدًا، والتي قد تسمح للمهندسين بتخزين كميات هائلة من البيانات الرقمية.

وقال سماليوخ: “لا نريد أن نضع حداً للطلبات في الوقت الحالي”. “أعتقد أن هناك فرصًا لدفع هذه التكنولوجيا في جميع أنواع الاتجاهات.”

المرجع: “بلورات الزمكان من السوليتونات الطوبولوجية الشبيهة بالجسيمات” بقلم هانتشينغ تشاو، وإيفان آي. سماليوخ، 4 سبتمبر 2025، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-025-02344-1

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