كيف ينحني السوليتونات الزمان والمكان والقواعد

إذا كان يمشي مثل الجسيم، ويتحدث مثل الجسيم… فمن المحتمل ألا يكون جسيمًا. السليتون الطوبولوجي هو نوع خاص من الموجة أو الخلع الذي يتصرف مثل الجسيم: يمكنه التحرك ولكن لا يمكنه الانتشار والاختفاء كما تتوقع، على سبيل المثال، من تموج على سطح البركة. وفي دراسة جديدة نشرت في طبيعةأظهر باحثون من جامعة أمستردام السلوك غير المعتاد للعزلات الطوبولوجية في مادة خارقة روبوتية، وهو شيء يمكن استخدامه في المستقبل للتحكم في كيفية تحرك الروبوتات واستشعار محيطها والتواصل.

يمكن العثور على العزلات الطوبولوجية في العديد من الأماكن وعلى العديد من مقاييس الطول المختلفة. على سبيل المثال، فإنها تأخذ شكل مكامن الخلل في أسلاك الهاتف ملفوفة والجزيئات الكبيرة مثل البروتينات. وعلى نطاق مختلف تمامًا، أ الثقب الأسود يمكن فهمها على أنها سوليتون طوبولوجي في نسيج الزمكان. تلعب Solitons دورًا مهمًا في النظم البيولوجية، كونها ذات صلة بالكائنات الحية البروتين للطي و التشكل – تطور الخلايا أو الأعضاء.

إن السمات الفريدة للسوليتونات الطوبولوجية – حيث يمكنها التحرك ولكنها تحتفظ دائمًا بشكلها ولا يمكن أن تختفي فجأة – تكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص عندما تقترن بما يسمى بالتفاعلات غير المتبادلة. يوضح جوناس فينسترا، طالب الدكتوراه في جامعة أمستردام والمؤلف الأول للمنشور الجديد: “في مثل هذا التفاعل، يتفاعل العامل أ مع العامل ب بشكل مختلف عن الطريقة التي يتفاعل بها العامل ب مع العامل أ”.

يتابع فينسترا: «إن التفاعلات غير المتبادلة شائعة في المجتمع والأنظمة الحية المعقدة، ولكن تم تجاهلها منذ فترة طويلة من قبل معظم الفيزيائيين لأنها لا يمكن أن توجد إلا في نظام خارج التوازن. ومن خلال إدخال تفاعلات غير متبادلة في المواد، نأمل في إزالة الحدود بين المواد والآلات وإنشاء مواد حية أو نابضة بالحياة.

مختبر المواد الآلية حيث يجري Veenstra أبحاثه متخصص في التصميم المواد الفوقية: المواد الاصطناعية والأنظمة الروبوتية التي تتفاعل مع بيئتها بطريقة قابلة للبرمجة. قرر فريق البحث دراسة التفاعل بين التفاعلات غير المتبادلة والعزلات الطوبولوجية منذ عامين تقريبًا، عندما قرر الطالبان أناهيتا سارفي وكريس فينتورا مينرسن متابعة مشروعهما البحثي لدورة الماجستير “المهارات الأكاديمية للبحث”.

المادة الفوقية الآلية التي تحتوي على مادة سوليتون ومضادة للسليتون تقع على الحدود بين الأجزاء ذات الميول اليسرى واليمنى من السلسلة. ويرتبط كل قضيب أزرق مع جيرانه بأشرطة مطاطية وردية اللون، ويوجد محرك صغير أسفل كل قضيب يجعل التفاعلات بين القضبان المتجاورة غير متبادلة. الائتمان: جوناس فينسترا / UvA

سوليتون يتحرك مثل الدومينو

تتكون المادة الفوقية المضيفة للسليتون التي طورها الباحثون من سلسلة من القضبان الدوارة المرتبطة ببعضها البعض بواسطة أشرطة مرنة – انظر الشكل أدناه. يتم تركيب كل قضيب على محرك صغير يطبق قوة صغيرة على القضيب، اعتمادًا على كيفية توجيهه بالنسبة إلى جيرانه. والأهم من ذلك، أن القوة المطبقة تعتمد على الجانب الذي يقف عليه الجار، مما يجعل التفاعلات بين القضبان المتجاورة غير متبادلة. وأخيرًا، تنجذب المغناطيسات الموجودة على القضبان إلى المغناطيسات الموضوعة بجوار السلسلة بحيث يكون لكل قضيب موضعان مفضلان، يتم تدويرهما إما إلى اليسار أو إلى اليمين.

إن العزلات المنعزلة الموجودة في هذه المادة الخارقة هي المواقع التي تلتقي فيها الأجزاء التي تدور إلى اليسار واليمين من السلسلة. يُطلق على الحدود التكميلية بين أقسام السلسلة التي يتم تدويرها لليمين واليسار اسم “مضادات السوليتونات”. وهذا مشابه لمكامن الخلل في سلك الهاتف الملفوف القديم، حيث تلتقي أقسام السلك التي تدور في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة.

عندما يتم إيقاف تشغيل المحركات الموجودة في السلسلة، يمكن دفع السوليتونات والعزلات المضادة يدويًا في أي اتجاه. ومع ذلك، بمجرد تشغيل المحركات – وبالتالي التفاعلات المتبادلة – تنزلق السوليتونات والعزلات المضادة تلقائيًا على طول السلسلة. كلاهما يتحركان في نفس الاتجاه، بسرعة تحددها خاصية عدم المعاملة بالمثل التي تفرضها المحركات.

فينسترا: “لقد ركزت الكثير من الأبحاث على تحريك المنعزلات الطوبولوجية من خلال تطبيق قوى خارجية. في الأنظمة التي تمت دراستها حتى الآن، وُجد أن السوليتونات ومضادات السوليتونات تتحرك بشكل طبيعي في اتجاهين متعاكسين. ومع ذلك، إذا كنت تريد التحكم في سلوك السوليتونات (المضادة)، فقد ترغب في دفعها في نفس الاتجاه. لقد اكتشفنا أن التفاعلات غير المتبادلة تحقق هذا بالضبط. تتناسب القوى غير المتبادلة مع الدوران الناتج عن سوليتون، بحيث يولد كل سوليتون قوته الدافعة الخاصة.

إن حركة السوليتونات تشبه سقوط سلسلة من قطع الدومينو، كل واحدة منها تطيح بجارتها. ومع ذلك، على عكس الدومينو، فإن التفاعلات غير المتبادلة تضمن أن “الإطاحة” لا يمكن أن تحدث إلا في اتجاه واحد. وفي حين أن قطع الدومينو يمكن أن تسقط مرة واحدة فقط، فإن السوليتون الذي يتحرك على طول المادة الخارقة يقوم ببساطة بإعداد السلسلة لمضاد السوليتون للتحرك عبرها في نفس الاتجاه. بمعنى آخر، يمكن لأي عدد من العزلات المنعزلة والعزلات المضادة التحرك عبر السلسلة دون الحاجة إلى “إعادة الضبط”.

التحكم في الحركة

إن فهم دور القيادة غير المتبادلة لن يساعدنا فقط على فهم سلوك السوليتونات الطوبولوجية في الأنظمة الحية بشكل أفضل، بل يمكن أن يؤدي أيضًا إلى التقدم التكنولوجي. يمكن استخدام الآلية التي تولد وحدات سوليتون ذاتية القيادة أحادية الاتجاه تم الكشف عنها في هذه الدراسة، للتحكم في حركة أنواع مختلفة من الموجات (المعروفة باسم توجيه الموجات)، أو لتزويد المادة الخارقة بقدرة أساسية على معالجة المعلومات مثل الترشيح .

يمكن للروبوتات المستقبلية أيضًا استخدام المنعزلات الطوبولوجية للوظائف الروبوتية الأساسية مثل الحركة وإرسال الإشارات واستشعار المناطق المحيطة بها. ولن يتم بعد ذلك التحكم في هذه الوظائف من نقطة مركزية، بل ستظهر من مجموع الأجزاء النشطة للروبوت.

وبشكل عام، فإن تأثير الدومينو للسليتونات في المواد الاصطناعية، والذي أصبح الآن ملاحظة مثيرة للاهتمام في المختبر، قد يبدأ قريبًا في لعب دور في مختلف فروع الهندسة والتصميم.

المرجع: “العزلات الطوبولوجية غير المتبادلة في المواد الفوقية النشطة” بقلم جوناس فينسترا وأولكسندر جامايون وشياوفي جو وأناهيتا سارفي وكريس فينتورا مينيرسن وكورنتين كوليه، 20 مارس 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07097-6