مرشِّح استقطاب يزيد وضوح الرؤية عبر الخشب الشفاف

لوح من خشب البلسا سمكه مليمتر واحد، جُرّد من اللجنين، وهو المكوّن الذي يمتص الضوء، ومُلئ ببلاستيك شفاف، يتيح لك تمييز مبنى على بعد نحو 200 متر.

ومع ذلك يبقى المنظر لبنيًا. ويسمي علم البصريات ذلك الضبابية (haze): أي نسبة الضوء التي تنفذ لكنها تنحرف عن المسار المستقيم. وكلما زادت الضبابية، ازدادت الصورة تشوشًا. وبالنسبة إلى فريق من المعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH) وجامعة ستوكهولم، في السويد، فالضبابية هي ما لا يزال يفصل هذه المادة عن «الزجاج الخشبي»، وهو خيار متجدد للنوافذ؛ إذ يشير الفريق إلى أن الزجاج العادي يتطلب صنعه قدرًا كبيرًا من الطاقة ويعتمد على مورد محدود، هو رمال قيعان الأنهار.

تسعون في المئة تنفذ، وكثير منها يضل الطريق

البلاستيك الذي استخدموه، PMMA، مُطعَّم بجزيء يسمى الفينانثرين (phenanthrene). وهذا يرفع معامل انكساره، وهو عدد يحدد مدى قوة انحناء الضوء في مادة ما، إلى نحو 1.53، قريبًا من معامل جدران خلايا الخشب. وحين تشترك مادتان في المعامل نفسه، يعبر الضوء بينهما من دون أن ينحني. ولا يشكّل الخشب إلا 8% من الحجم.

في الضوء العادي غير المستقطب، ينفذ عبر اللوح نحو 90% من الضوء الأخضر (طوله الموجي 550 نانومترًا)، ونحو 92% من الضوء الأحمر الداكن، قرب 800. أما الضبابية فلا تنخفض إلا من نحو 60% في الضوء البنفسجي (400 نانومتر) إلى 43% في الأخضر، ونحو 30% في الأحمر الداكن. وبحسب إحصاء المؤلفين، ومع استثناءات نادرة، فإن أفضل ضبابية تحققت حتى الآن للعينات الغنية بالسليلوز التي لا يقل سمكها عن مليمتر تدور حول 50%. ويكتبون أن الزجاج الخشبي العملي يحتاج إلى ضبابية أقل بعشر مرات على الأقل.

تدوير اهتزاز الضوء

الضوء موجة يتذبذب مجالها الكهربائي في اتجاه معين: هو استقطابها. ولا يمرّر مرشِّح الاستقطاب إلا اتجاهًا واحدًا. وقد أدار الفريق ذلك الاتجاه من 0° (على امتداد ألياف الخشب) إلى 90° (عموديًا عليها)، وجمع الضوء الخارج بكرة تكاملية (integrating sphere)، وهي كرة مجوفة تجمعه من كل الاتجاهات.

• عموديًا على الألياف، تنخفض الضبابية إلى نحو 21% في الضوء الأحمر الداكن، قرب 800 نانومتر، مقتربةً، كما يشير المؤلفون، من مستوى الزجاج المتسخ.
• على امتداد الألياف، تبقى الضبابية أعلى بكثير وبالكاد تتغير مع الطول الموجي.
• مع ليزر منفصل عند 532 نانومترًا، تنخفض الضبابية من 55.9% عند 0° إلى 40.7% عند 90°؛ ويعطي الضوء غير المستقطب نحو 45%.
• بالكاد يتغير إجمالي الضوء النافذ. وحدها نسبة الضوء المنحرف هي التي تتغير.

أعطت عينة مرجعية معتمدة الضبابية نفسها في الاستقطابين كليهما، لذا فإن التأثير لا يأتي من الجهاز. ولوح مصنوع من PMMA عادي غير معدَّل يظل ضبابيًا في الحالتين: نحو 86% على امتداد الألياف، و79% عموديًا عليها.

تنخفض الضبابية مع الطول الموجي، وبأسرع ما يكون حين يكون الضوء مستقطبًا عموديًا على الألياف (90°)، ولا تكاد تنخفض حين يكون مستقطبًا على امتدادها (0°)؛ وعند 532 نانومترًا تنخفض من نحو 56% إلى 41% في حين تبقى النفاذية بين 86% و90%. — الشكل 2، Song وآخرون (2026)، arXiv:2610.33459.

معامل على امتداد الألياف، وآخر عموديًا عليها

المسؤول هو السليلوز، الهيكل البلوري الذي يمنح المادة المركبة متانتها. فالسليلوز ثنائي الانكسار (birefringent): أي إن معامل انكساره يعتمد على الاستقطاب. ومع القيم التمثيلية المستخدمة في الورقة، يقع البلاستيك عند نحو 1.53، والسليلوز عند نحو 1.52 عموديًا على الألياف و1.58 على امتدادها: أي فارق قدره 0.01 في اتجاه، و0.05 في الاتجاه الآخر. لذا يلقى الضوء المتذبذب عموديًا على الألياف مادةً شبه متطابقة فلا يكاد ينحرف؛ أما على امتدادها، فيشتّته الفارق الأكبر بخمس مرات.

عموديًا على الألياف، تنخفض الضبابية بما يتناسب مع مقلوب مربع الطول الموجي، يضاف إليه ثابت قدره نحو 8 نقاط مئوية قد يأتي من خشونة السطح (توافق شبه تام: R² = 0.994، حيث 1 هو التوافق التام). وفي حد رايلي (Rayleigh) الكلاسيكي، الذي يعامل المشتِّتات، أي التفاصيل الدقيقة التي تحرف الضوء عن مساره، على أنها متناهية الصغر، سيكون القانون أشد انحدارًا بكثير: مقلوب الطول الموجي مرفوعًا إلى القوة الرابعة. أما الانحدار الألطف فيتوافق بدلًا من ذلك مع جسيمات دقيقة ضعيفة التباين ذات حجم محدود، يصفها نموذج يسمى رايلي–غانس–ديباي (Rayleigh–Gans–Debye). وحين يُطبَّق على أسطوانات رفيعة، بفارق يتراوح بين 0.02 و0.01، يعطي حجمًا نموذجيًا من 50 إلى 200 نانومتر، وهو تقدير يستند إلى افتراضات، لا قياس. وهذا أصغر بكثير من تجاويف خلايا الخشب، التي يبلغ عرضها نحو 30 ميكرومترًا: فالمشتِّتات تقع داخل جدران الخلايا.

أما الفجوات الهوائية فستفعل العكس: فالفجوات الرقيقة الممتدة على طول الألياف ستشتّت الضوء المستقطب عموديًا عليها أكثر من غيره. ولا تُظهر صور المجهر الإلكتروني أي فجوات واضحة بين البلاستيك والجدران في المناطق التي فُحصت.

رقعة مرقّعة داخل الجدار

في حيود الإلكترونات الماسح (scanning electron diffraction)، تعبر حزمة إلكترونية شريحة سمكها 200 نانومتر كل 30 نانومترًا؛ ويُظهر النمط عند كل نقطة ما إذا كان السليلوز المنتظم موجودًا هناك. وقارن الفريق ألواحًا صُنعت مع نقعها في هيدروكسيد الصوديوم ومن دونه، وهو نقع يجعل الجدران تنتفخ ليتمكن البلاستيك من الدخول. وتظهر إشارات السليلوز في 98% من المواقع من دون النقع، و51% معه.

تشكّل الجدران المعالَجة رقعة مرقّعة: بقع بلورية حادة بجوار مناطق ذات إشارة ضعيفة أو معدومة، ربما غنية بالبلاستيك. ويبقى النقع ضروريًا، لأنه يتيح للبلاستيك ملء مسامّ كانت ستشتّت الضوء بقوة أكبر بكثير. وهدف المؤلفين هو الإبقاء عليه مع جعل الرقع المتجاورة متشابهة بصريًا.

ضوء يمضي مستقيمًا

قيس توقيت خروج نبضات ليزر مدتها 150 فيمتوثانية (جزء من مليون من جزء من مليار من الثانية)، مستقطبة عموديًا على الألياف؛ فالضوء الذي يسلك طريقًا متعرجًا عبر الخشب سيصل متأخرًا ويطمس حدود كل نبضة. وأدت إزاحة الشق الجامع 0.70 مليمتر عن المركز إلى خفض الضوء إلى 19% من قيمته المركزية، ومع ذلك بقي عرض النبضات من 5 إلى 8 بيكوثانية (أجزاء من ألف مليار من الثانية)، أي أكثر بقليل فقط من التشوّش الذاتي للكاميرا البالغ نحو 4 بيكوثانية، من دون أي تمدد، خلافًا للخشب الطبيعي في قياسات سابقة. فالضوء يسلك مسارات شبه مستقيمة. وعند ضبابية تقارب 20%، يقدّر المؤلفون احتمال أن يتشتت فوتون مرتين داخل اللوح ببضعة في المئة.

مرشِّح بدلًا من وصفة جديدة

ثم صوّر الفريق شعارًا وبطاقة ألوان على بعد 30 سنتيمترًا خلف اللوح، في إضاءة الغرفة.

الشعار وبطاقة الألوان نفسهما كما يُريان عبر اللوح وحده (a)، ومع مستقطِب على امتداد الألياف (b)، ومع مستقطِب عمودي عليها (c)، على بعد 30 سنتيمترًا. — الشكل 5، Song وآخرون (2026)، arXiv:2610.33459.

عبر اللوح المكشوف، يمكن التعرف على الشعار لكن حروفه غير حادة. ومع المرشِّح على امتداد الألياف، يزداد الشعار تشوشًا. وحين يُدار ليصير عموديًا عليها، تزداد الحروف حدة وتتضح الحواف بين الألوان، في صورة أخفت، وهذا ثمن الإبقاء على استقطاب واحد فقط.