حبيبات هلام تزحف عبر الجليد الصلب
الهلاميات المائية (الهيدروجيلات) شبكات من سلاسل البوليمر مشبعة بالماء. يمكنها أن تنتفخ وتنكمش بشكل كبير، وهي موجودة في كل مكان: مواد فائقة الامتصاص تمتص السوائل المسكوبة، وهلامات محمّلة بالأدوية تطلق دواءها بمعدل مضبوط، وروبوتات لينة، وهندسة الأنسجة، والأغذية، ومستحضرات التجميل، بل إن الغضروف في مفاصلنا نفسه يتصرف كهلام.
كل ذلك يتوقف على أمر واحد: كيف يتحرك الماء عبر الهلام. وتصف ذلك ثلاث خصائص: النفاذية، والصلابة عند ضغط الهلام، والانتشارية المسامية المرنة (poroelastic diffusivity) التي تحدد سرعة انتشار الانتفاخ. وهي معروفة بصعوبة قياسها، لأن الماء يزحف عبر الهلامات ببطء شديد. ويضرب المؤلفون مثالًا: إذا دُفع الماء عبر غشاء هلامي سمكه 1 مم بفرق ضغط قدره 1 كيلوباسكال، فإنه يجري بسرعة تقارب نانومترًا واحدًا في الثانية. ويستغرق قياس الصلابة نحو ثلاث ساعات لكل نقطة بيانات على عينة سمكها 1 مم.
حبيبات تتحرك عبر الجليد
صنع فريق روبرت ستايل في المعهد الفدرالي للتكنولوجيا في زيورخ جسيمات هلامية نصف قطرها من 8 إلى 14 ميكرومترًا، أي أصغر بكثير من حبة رمل ناعمة، من بوليمر شائع هو PEGDA. وجمّدوها في خلية رقيقة بين كتلتين من النحاس وراقبوها تحت المجهر.
المفاجأة الأولى: في الجليد، تنكمش الحبيبات. فالجليد يحيط بكل حبيبة لكنه لا يستطيع دخول مسامها الدقيقة. بدلًا من ذلك، يسحب الماء من الهلام، تمامًا كما يفعل الهواء الجاف. ويُسمى ذلك الشفط التجميدي (cryosuction)، وهو قوي: يزداد الشفط بنحو 1 ميغاباسكال لكل درجة تحت الصفر. وبين 0 و−2 °C، تفقد الحبيبات نحو 20% من نصف قطرها، أي نصف حجمها.
المفاجأة الثانية: حين يكون أحد جانبي الخلية أدفأ من الآخر، تبدأ الحبيبات بالتحرك عبر الجليد الصلب نحو الجانب الدافئ، بسرعة تقارب 0.1 ميكرومتر في الثانية، وتنتفخ في أثناء تقدمها.
الآلية: الشفط أقوى على الجانب البارد من الحبيبة. فيذوب الجليد على الجانب الدافئ، ويجري الماء عبر الهلام، ثم يتجمد من جديد على الجانب البارد. وهذا الجليد الجديد يدفع الحبيبة إلى الأمام. والتجربة الضابطة واضحة: الجسيمات التي لا يستطيع الماء عبورها لا تتحرك إطلاقًا.
أداة قياس
بما أن السرعة تتحدد بمدى سهولة جريان الماء عبر الهلام، فإن قياس السرعة يعطي النفاذية مباشرة. وبما أن الحبيبات تنكمش كلما بردت، يمكن قياس حبيبة واحدة عند محتويات مائية كثيرة مختلفة.
- السرعة متناسبة مع تدرّج الحرارة ومستقلة عن حجم الحبيبة، كما تتنبأ النظرية.
- تنخفض النفاذية بعامل يقارب 100 حين ترتفع نسبة البوليمر من 20% إلى 45%.
- وترتفع الصلابة من نحو 1 إلى نحو 30 ميغاباسكال ضمن النطاق نفسه.
- وتبقى الانتشارية شبه ثابتة، عند نحو 1.5 × 10⁻¹⁰ م²/ث.
- وتتوافق القيم مع القياسات القليلة الموجودة على هلامات مماثلة.
الكتاب المدرسي على خطأ
أتاحت الدقة العالية للفريق اختبار المعادلات الكلاسيكية التي تفترض شبكة بوليمر مثالية ومتجانسة. لكنها لا تصلح: فالاتجاهات المقيسة أشد انحدارًا بكثير مما هو متوقع. والسبب المرجح أن الهلامات الحقيقية غير متجانسة، فيها مسام كبيرة وأخرى صغيرة. وحين يجف الهلام، تنهار المسام الكبيرة أولًا، فيصبح أقل نفاذية وأشد صلابة بكثير مما قد تكون عليه شبكة مثالية.
أداة للهلامات الحقيقية
لا تحتاج الطريقة إلا إلى أحجام بمقياس البيكولتر بدلًا من الميكرولتر، وتقيس عينة واحدة عند محتويات مائية كثيرة، وتعطي آلاف نقاط البيانات في كل تجربة بدلًا من نقطة واحدة. ويعتزم المؤلفون توسيعها لتشمل قطعًا من الهلامات الكتلية، بما فيها المواد البيولوجية، ومحاليل البوليمرات، والمواد الصلبة المسامية، ويدعون إلى نظريات جديدة لكيفية تحرك الماء عبر الهلامات الحقيقية.