يمكن للمواد المستوحاة من السحابة أن تحني الضوء حول الزوايا

اكتشف العلماء تقنية يمكن من خلالها ثني الضوء حول الزوايا، مستوحاة من الطريقة التي تبعثر بها السحب ضوء الشمس. يمكن أن يؤدي هذا النوع من ثني الضوء إلى تقدم في التصوير الطبي، وتبريد الإلكترونيات، وحتى تصميم المفاعلات النووية.

يقول دانييل فاسيو – من جامعة جلاسكو بالمملكة المتحدة – وزملاؤه إنهم مصدومون من أن هذا النوع من تشتت الضوء لم يُلاحظ من قبل. إنه يعمل على نفس الأساس الذي تعمل به السحب والثلج والمواد البيضاء الأخرى التي تمتص الضوء: بمجرد أن تصطدم الفوتونات بسطح مثل هذه المادة، فإنها تتناثر في جميع الاتجاهات، وبالكاد تخترق على الإطلاق وتنعكس بالطريقة التي جاءت بها. على سبيل المثال، عندما يضرب ضوء الشمس سحابة ركامية طويلة، فإنه يرتد عن القمة، مما يجعل هذا الجزء من السحابة يبدو أبيضًا ساطعًا. لكن القليل جدًا من الضوء يصل إلى قاع السحابة بحيث يبدو هذا الجزء باللون الرمادي، على الرغم من كونه مكونًا من نفس قطرات الماء.

يقول فاتشيو: “يرتد الضوء حوله ويحاول الدخول، فيرتد عن جميع الجزيئات والعيوب”. “وفي النهاية ما يحدث هو أنه ينعكس مرة أخرى لأنه لا يستطيع الدخول. وهذا هو التشتت.”

ولتكرار هذه العملية، قام الفريق بطباعة كائنات ثلاثية الأبعاد من مادة بيضاء غير شفافة مع ترك أنفاق رقيقة من الراتنج الشفاف بداخلها. عندما يتم تسليط الضوء على المادة، فإنه ينتقل إلى هذه الأنفاق وينتشر، تمامًا كما ينتشر الضوء على الثلج أو السحب. ومع ذلك، بدلًا من التشتت عشوائيًا في كل اتجاه حتى يتم تشتيتهم بالتساوي، يتم توجيه الفوتونات للعودة إلى نفق الراتينج بواسطة المادة المعتمة. استخدم الفريق هذا الأمر، وقاموا بإنشاء مجموعة من الأشياء التي توجه الضوء بطريقة منظمة.

تشبه هذه الكائنات المطبوعة ثلاثية الأبعاد من الناحية الوظيفية كابلات الألياف الضوئية، التي توجه الضوء على طولها، ولكنها تعمل وفقًا لمبادئ مختلفة تمامًا. تقوم كابلات الألياف الضوئية بتوجيه الضوء من خلال الانعكاس الداخلي بشكل لا نهائي. عندما تحاول الفوتونات مغادرة النواة الداخلية للكابل المصنوعة من البلاستيك أو الزجاج، فإنها تصطدم بمادة أخرى ذات معامل انكسار أقل وتنعكس مرة أخرى إلى الداخل. وبهذه الطريقة، يمكن حمل الضوء لمسافة كيلومترات في المرة الواحدة، حتى حول المنعطفات.

ويقول الباحثون إن مادتهم تعزز انتقال الضوء بأكثر من ضعفين مقارنة بالكتل الصلبة التي لا تحتوي على نفس الأنفاق الواضحة، وتسمح أيضًا بتوجيهها حول المنحنيات. وهذا أقل كفاءة بكثير من الألياف الضوئية، وبالتالي سيواجه صعوبة في تحقيق المسافات الكبيرة التي يحققها، ولكنه أيضًا بسيط جدًا ورخيص الثمن.

يمكن لهذه الطريقة من ثني الضوء الاستفادة من الأنفاق الموجودة من المواد الشفافة، مثل الأوتار والسوائل في العمود الفقري، لتوفير طرق جديدة لإجراء التصوير الطبي. يقول فاتشيو إن المبدأ نفسه يعمل أيضًا على توجيه الحرارة والنيوترونات، وبالتالي يمكن استخدامه أيضًا في مجموعة من التطبيقات الهندسية مثل أنظمة التبريد والمفاعلات النووية.

“لم يكن من الواضح أن هذا سينجح على الإطلاق. يقول فاتشيو، الذي يعتقد أنه كان من السهل اكتشاف هذه الظاهرة منذ عقود أو حتى قرون مضت: “لقد صدمنا”. “ليس الأمر وكأننا أنشأنا أو وجدنا معادلة غريبة حقًا مع بعض الخصائص الغريبة.”