بلّورات دقيقة متشققة تلتئم وتعود لحبس الضوء
تتقلّص الأجهزة الفوتونية: مُوجِّهات تنقل الضوء، ومرنانات تحبسه، وليزرات. وعلى هذا المقياس، يكفي شق مجهري لإفسادها. أما كيف تتكوّن الشقوق وتلتئم في البلّورات البصرية العضوية، فيكتب المؤلفون أنه «لم يُستكشف إلى حد بعيد».
البلّورات التي تُصلح شقوقها بنفسها هي، بتعبيرهم، «ظاهرة نادرة ولافتة». ومن الأمثلة السابقة التي تذكرها الورقة الملح الصخري وكلوريد البوتاسيوم والألومينا، وعدة بلّورات جزيئية. لكن معظمها كان طوله بين المليمترات والسنتيمترات، ويُعالَج بالملاقط والإبر. وكان بعضها يلتئم ببطء: فبلّورات طولها نحو 3 مليمترات لم تستعد سوى 6.7% بعد ضغطها مدة 24 ساعة. وأخرى، إبرية الشكل، عادت لتلتحم في غضون أجزاء من الألف من الثانية.
طرف مجهر كمطرقة
نزل Melchi Chosenyah وRajadurai Chandrasekar وزملاؤهما في جامعة حيدر آباد وجامعة كارناتاكا المركزية في الهند إلى المقياس الذي تعمل فيه البلّورات كمكوّنات بصرية. واستعملوا مركّبًا عضويًا يُدعى HDMAC، يتوهج بلون أحمر برتقالي تحت الأشعة فوق البنفسجية، ويتمركز انبعاثه عند 660 نانومترًا. وعند وضع محلوله على شريحة زجاجية، يُكوّن بلّورات رقيقة مربعة ومستطيلة يبلغ عرضها بضع عشرات من الميكرومترات.
وكانت أداتهم طرف الذراع الناتئة لـمجهر القوة الذرية، استُعمل لشق البلّورات بطرق مضبوطة ولإعادة القطع إلى بعضها على حد سواء. واستعار المؤلفون مفرداتهم من كسور العظام: الشقوق المستعرضة تعبر البلّورة، والطولية تمتد على طولها، والمائلة تسير قُطريًا؛ أما القلع (avulsion) فينتزع شظية صغيرة.
قطع تندمج
- في بلّورة أبعادها نحو 13.7 في 12.5 ميكرومترًا، اختفى شق قُطري حين دُفع جانب البلّورة نحو الداخل. وتحت المجهر الإلكتروني، بدا الإصلاح شبه خالٍ من الأثر، مع خط باهت عند التكبير العالي. ولم يبقَ دون التئام سوى الموضع الذي انتُزعت منه شظية.
- قُسمت بلّورة طولها نحو 20 ميكرومترًا إلى قطعتين منفصلتين. وحين أُعيدت محاذاتهما وضُغطتا معًا، التأمتا فورًا. وعند دفعها بعد ذلك بالطرف، تحركت البلّورة ككتلة واحدة.
- التأمت الشقوق الممتدة على مستويين بلّوريين مختلفين في الحالتين. والتأمت جميع البلّورات الدقيقة تقريبًا حين بقيت أسطح الكسر نظيفة؛ أما ركام الحطام الدقيق عند الكسر فكان يعوق الالتئام.
- بلّورة كبيرة رقائقية الشكل، لها الترصيص الجزيئي نفسه، تهشّمت بدل أن تنشق شقًا نظيفًا، ولم تلتئم.
كم يعود من الضوء
تعمل البلّورات الطويلة دلائلَ موجية: فالضوء المنبعث عند أحد طرفيها ينتقل إلى الطرف الآخر. وفي بلّورة طولها 271 ميكرومترًا، سلّط الفريق ليزرًا بطول موجة 405 نانومترات على أحد الطرفين وجمع التوهج المُوجَّه عند الطرف الآخر، قبل الشق وبعد الالتئام. وأعطت المقارنة «كفاءة التئام» تبلغ نحو 80%. وعلى ست بلّورات من هذا النوع، تراوحت بين 32% و99%. وجاءت الخسائر من الضوء المتشتت عند الشق المُصلَح، ولا سيما حيث كانت شظايا مفقودة.
مرنان يُستعاد
تعمل البلّورات الرقيقة أيضًا مرناناتٍ: إذ يؤدي وجهاها العلوي والسفلي دور المرآتين، فلا تتراكم بينهما إلا ألوان معينة من الضوء. وكلما كانت البلّورة أرق، اتسعت المسافة بين هذه الرنينات. وأظهرت بلّورة أبعادها 31 في 28 ميكرومترًا وسُمكها 1.8 ميكرومتر رنينات تفصل بينها 17.8 نانومترًا.
شقّها الفريق طوليًا من المنتصف، دون أن يفصلها. وعند الشق، كُبتت الرنينات بشدة. وبعد الالتئام، عادت، بطيف يطابق طيف البلّورة السليمة. وأظهرت صور الفلورة الملتقطة شريحة بعد شريحة، كل 257 نانومترًا، أثرًا باهتًا للشق في الطبقات العليا وحدها؛ وتحت نحو 770 نانومترًا بدا الداخل ملتئمًا.
أليَن عند الدرزة
غاص رأس ماسي ضُغط في البلّورة بالقوة نفسها 95 نانومترًا في المناطق السليمة و115 نانومترًا في المنطقة الملتئمة. وانخفضت صلابة المنطقة الملتئمة، أي معامل يونغ لها، من 2.15 إلى 1.49 غيغاباسكال، أي نحو ثلثي القيمة الأصلية، وتراجعت قساوتها إلى النصف تقريبًا. ومع ذلك كانت ترتد جزئيًا عند رفع الحمل.
ما الذي يُبقي القطع ملتحمة؟ تشير حسابات القوى بين الجزيئات إلى سلاسل متصلة من التجاذب على امتداد مستويي الالتئام: روابط هيدروجينية بين الجزيئات وتجاذبات ثنائية القطب بين الطبقات المتجاورة، يرى فيها المؤلفون إحدى القوى الدافعة.
ويُصرّ المؤلفون على أنه ما من رقم واحد يختزل كفاءة الالتئام: فحجم البلّورة ونوع الشق ومدى إحكام إعادة محاذاة القطع كلها تغيّر النتيجة. وهدفهم مكوّنات بصرية تصمد أمام التلف: بلّورات متوهجة يمكن، بعد كسرها، إعادتها إلى العمل.