الباحثون الذين فككوا الفيزياء الرائعة للأوراق المجعدة
كل واحد منا يجعد عددًا لا يحصى من الأوراق في حياته. نحن نرمي الورق من الخلف، مباشرة في أقرب سلة مهملات في أسوأ الأحوال، وفي أحسن الأحوال في سلة إعادة تدوير الورق، وننسى الأمر. ولكن اتضح أن هناك من يجد العالم كله في هذه الورقة المتجعدة.
نجح باحثون من جامعة تل أبيب والتخنيون لأول مرة في رسم خريطة العلاقة بين شبكة الاتصالات المعقدة التي تتشكل في ورقة رقيقة بعد تجعدها المتكرر وخصائصها الميكانيكية المدهشة، وفي المقام الأول قدرة النظام على تشفير وتخزين الذكريات الميكانيكية . ويقول الباحثون إن أهمية البحث لا تكمن فقط في كسر النظام نفسه، بل أيضًا في الرؤى التي يقدمها حول عائلة واسعة من الأنظمة الفيزيائية المعقدة في مجال المادة المكثفة. تم إجراء البحث تحت قيادة طالب الدكتوراه دور شوتشات والدكتور يوآف لاهيني من مدرسة الفيزياء وعلم الفلك في جامعة تل أبيب. موضوع النمذجة والمحاكاة في البحث ترأسه الدكتور دانييل هيكسنر من كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون، وتم نشره مؤخرًا في المجلة المرموقة PNAS.
اكتشف الباحثون كيف أن شبكة الطيات والتجاعيد التي تنشأ عندما يتم تجعد الصفائح الرقيقة بجهد خارجي، تؤدي إلى تغيير جذري في الخواص الميكانيكية للصفائح. إن عملية إنشاء الشبكة في حد ذاتها تمكن من ترميز الجهود التي تم تطبيقها على الورق حتى تلك اللحظة، كنوع من "الذاكرة" المادية للنظام. ولكن من المدهش أنه بعد التجعيد، تكون الورقة قادرة على تخزين ذكريات ميكانيكية إضافية، دون إنشاء طيات أو تجاعيد جديدة.
قراءة الذاكرة المادية
يوضح الدكتور لاهيني: "عندما نقوم بتخزين المعلومات على القرص الصلب لجهاز الكمبيوتر الخاص بنا، فإننا نقوم بتحويلها إلى تشفير يتكون من الرقمين صفر وواحد فقط. فيزيائيًا، يتم تشفير كل رقم في مكون مغناطيسي بحالتين مستقرتين تسمى "البت"، مع اتجاه مجاله المغناطيسي (لأعلى أو لأسفل) لتشفير قيمة الرقم (صفر أو واحد). أصبح الانتقال بين الوضعين، لصالح تشفير الذاكرة أو قراءتها، ممكنًا من خلال ظاهرة تسمى الحلقة أو التباطؤ. وما حددناه في الصفائح المتجعدة هو ظاهرة مشابهة، لكنها ذات طبيعة ميكانيكية. اتضح أنه عندما يتم تجعيد الورقة، يتم إنشاء مجموعة متشابكة من الطيات، كل منها يعمل كدائرة كهربائية صغيرة مع حالتين مستقرتين - نوع من "البت" الميكانيكي. يختلف الوضعان في هندستهما، حيث يمكن أن يبرز التجعيد داخل الورقة أو خارجها. ونطلق على أحد هذه المكونات اسم الهيسترون، وهو المكون الأساسي لاستجابة الذاكرة للمادة بأكملها. يمكن لمجموعة الهسترونات التي تم بناء الورقة بأكملها منها تشفير وتخزين ذكريات متنوعة للأحداث الميكانيكية المختلفة التي مرت بها الورقة. وبالتالي، من خلال التخطيط لمختلف المعالجات الميكانيكية، من الممكن حفظ وقراءة الذاكرة من داخل النظام."
ويضيف طالب الدكتوراه دور شوحط أن "التفاعل الموجود بين هذه الهيسترونات يلعب دورًا مهمًا في الخواص الميكانيكية العامة للصفائح. كل واحد منهم وكلهم معًا "يشفرون" العمليات التي تمر بها الورقة، بحيث من حيث المبدأ، من خلال رسم خرائط وتحليل التجاعيد في القماش، من الممكن إعادة بناء العمليات التي تم إجراؤها عليها في الماضي و"قراءة" ' الذاكرة. وتبين أيضًا أنه بسبب التفاعلات القوية، نشأت حالة تسمى "الإحباط الهندسي" في اللغة المهنية. في هذه الحالة، وبسبب البنية المضطربة للتجاعيد، تتداخل الهستيرونات مع بعضها البعض وتواجه الطبقة المتجعدة صعوبة في الوصول إلى حالة الطاقة المنخفضة، مما يؤدي إلى تحسين استجابتها الميكانيكية. وفي هذا هناك تشابه مع نظام مغناطيسي رائع يسمى الزجاج المغزلي، ومع أنظمة أخرى مضطربة."
ليس المبلغ، بل التجاعيد
في السنوات الأخيرة توسعت دراسة الأنظمة الفيزيائية المعقدة (Complex Systems) بشكل كبير، الأمر الذي يتطلب استخدام نماذج نظرية إبداعية ومبتكرة تأخذ في الاعتبار عددا كبيرا من درجات الحرية المترابطة - وليس من الممكن دائما وصف الديناميكية بينهما باستخدام الحل التحليلي المعتمد على خصائص درجة الحرية الفردية. الكل في هذه الحالة يتجاوز مجموع أجزائه.
وبهذه الروح يضيف طالب الدكتوراه دور شوهات: "بما أنه لا يوجد حل بسيط لمثل هذه الأنظمة المعقدة، فمن أجل فهمها بعمق لا بد من فهم العلاقة بين سلوك درجة واحدة من الحرية وسلوك النظام بأكمله . إن الأبحاث التي أجريت على الصفائح المتجعدة تجعل من الممكن إنشاء مثل هذه الروابط، وذلك بفضل أبعادها المميزة الكبيرة. يكفي أن تحمل ورقة مجعدة في يدك وتراقب آلياتها، لتحصل على حدس جسدي. مثال بسيط هو ذاكرة الشكل الذي كانت عليه الورقة المتجعدة - إذا ثنيناها حول جسم معين، فإنها ستأخذ شكلها دون أن تتشكل تجاعيد جديدة - وذلك بفضل الهسترونات التي تتكون منها، والتي تمنحها القدرة على اتخاذ عدد كبير من الأشكال المستقرة." ويخلص الباحثون إلى أن الاستنتاجات الجديدة تتجاوز النظام التجريبي المحدد، وتسلط الضوء على تكوين الذاكرة الجسدية في أنظمة أكثر تعقيدا، حيث يكون الوصول إلى درجات الحرية الفردية أكثر صعوبة.
بالنسبة للمادة هعلمي
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
