هلام يحمل كيلوغرامًا

سلسلة بوليمر واحدة تُشدّ من طرفيها تنفكّ أولًا، ثم تتصلّب بحدّة وهي تستقيم، وأخيرًا تكسر رابطة تساهمية قوية. ومع ذلك، فإن شبكة مصنوعة من مثل هذه السلاسل — هلامًا كانت أو مطاطًا — أضعف من سلسلة واحدة بعدة رتب من حيث المقدار. وتُظهر محاكاة حاسوبية حديثة، تستشهد بها الورقة، السبب: فعند شدّ الشبكة يتوزّع التوتر توزّعًا شديد التفاوت. إذ تتشكّل بضعة مسارات عالية التوتر وتنقطع الواحد تلو الآخر، بينما تبقى معظم الخيوط ملتفّة ولا تكاد تحمل شيئًا.

ويُلقي يو جو وتشنغهاي لي وجيتشي تشن وشيانيانغ باو وجيغانغ سوو من جامعة هارفارد باللوم على الروابط التشابكية، أي الوصلات التي تربط الخيوط بعضها ببعض. فكل رابطة تشابكية تصل أربعة خيوط، لكن اثنين منها فقط يحملان التوتر العالي. فالروابط التشابكية تُركّز الحمل.

عُقد أقل، تشابكات أكثر

علاجهم هو تشتيت التوتر. فمع روابط تشابكية أقل بكثير، تصبح الخيوط طويلة ومتشابكة. ويتصوّر المؤلفون أن الحمل تحمله “أسطوانات عالية التوتر” — حُزم كاملة من الخيوط المتشابكة. ولأن القوى بين الخيوط ضعيفة، تنزلق التشابكات كالبكرات: فحين يشمل تشابكٌ ما أربع قطع، تتحمّل الأربع كلها الحمل. والخيوط الأطول تستنفر جزءًا أكبر من الشبكة.

واختبروا ذلك على هيدروجيلات البولي أكريلاميد، وهي مواد صلبة ليّنة مكوّنة في معظمها من الماء، نُفّخت حتى التوازن قبل كل اختبار، كما تكون أثناء الاستخدام. ويضبط الشبكةَ مقبضان: كمية العامل التشابكي، وكمية الماء أثناء التخليق.

• ارتفعت المتانة المقيسة لكل وحدة من البوليمر — “المتانة الفعلية” بتعبير المؤلفين — كلما قلّت الروابط التشابكية، وفق قانون بسيط: فهي تنمو تناسبًا عكسيًا مع كمية العامل التشابكي، لتبلغ نحو 100 ميغاباسكال.
• أما تغيير كمية الماء، ومن ثمّ عدد التشابكات، فلم يغيّرها إلا بأقل من الضعف. فالروابط التشابكية تُركّز التوتر؛ والتشابكات لا تفعل ذلك.

نفّخ، اضغط، كرّر

ولتحويل ذلك إلى مادة متينة، بنى الفريق شبكات متداخلة مشدودة مسبقًا. يُنقع هلام قليل الروابط التشابكية في خليط البداية نفسه، ويُضغط حتى يتسطّح فيتمدّد جانبيًا، ثم يُعرَّض للأشعة فوق البنفسجية: فتتكوّن شبكة ثانية داخل الأولى وتقفلها في حالتها المشدودة. وتكرار ذلك مرة أخرى يعطي شبكة ثلاثية.

ثلاثة هيدروجيلات من البولي أكريلاميد: عادي، وشديد التشابك، ومتداخل مشدود مسبقًا. يحمل العادي نحو 10 غرامات؛ ويحمل المشدود مسبقًا 1000 غرام. — الشكل 3، Zhou وLi وChen وBao وSuo (2026)، arXiv:2610.11837، CC BY 4.0.

• ترتفع المتانة من نحو 0.05 ميغاباسكال للهيدروجيل العادي إلى نحو 1 للهيدروجيل شديد التشابك، ونحو 10 للشبكة الثلاثية.
• يحمل هلام الشبكة الثلاثية ثقلًا أثقل بنحو مئة مرة مما يحمله الهلام العادي.
• ويبقى مرنًا: إذ لا يُفقَد سوى 8.4% من الطاقة في دورة شدّ وإرخاء.
• وعلى حدّ علم المؤلفين، هو أمتن هيدروجيل بولي أكريلاميد أُبلغ عنه.

وتنجح الوصفة أيضًا من دون ماء. ففي مادة شبيهة بالمطاط خالية من الماء، وهي مرن (elastomer) يُسمّى بولي(أكريلات الإيثيل)، ارتفعت المتانة من نحو 1 إلى 4 ميغاباسكال مع روابط تشابكية أقل، وإلى نحو 25 ميغاباسكال بعد الشدّ المسبق، مع فقد في الطاقة لا يتجاوز بضعة في المئة.

ما زالت 1% فقط من الخيوط

حتى 100 ميغاباسكال تبقى أدنى بكثير من نحو 10 غيغاباسكال تستطيع الروابط التساهمية تحمّلها. وبحسب تقدير المؤلفين، لا يبلغ هذا الحدّ سوى نحو 1% من الخيوط؛ أما البقية فما زالت تحمل أقل من ذلك بكثير. ويكتبون أن كيفية استنفار الـ99% الأخرى مسألة مفتوحة قد تتطلّب تصاميم شبكية جديدة كليًا.