كشفت دراسة علمية جديدة الظروف التي تؤدي إلى تحول الحبيبات "الطرية"، التي يمكنها تغيير شكلها تحت تأثير القوى الخارجية، من السلوك الصلب إلى السلوك السائل. 

وتسلط النتائج، الضوء على ظاهرة ذات أهمية كبيرة في البيولوجيا، إذ تشبه هذه الحبيبات الخلايا البيولوجية التي تشكل أنسجة صلبة في الأجسام الحية، ولكنها تتحرك أحياناً بشكل سائل لتكوين الأعضاء المختلفة أثناء تطور الأجنة.

لإجراء الدراسة، استخدم باحثون من جامعة طوكيو حلقات مطاطية رفيعة كحبيبات "طرية"، وتم تكديسها في حاوية، مع التحكم في عدد الحلقات، وكثافة التكديس، والقوى الجانبية المؤثرة عليها. 

وباستخدام الصور التي التقطت للحلقات، قام الفريق بقياس مواقعها، وأشكالها، ونقاط التلامس بينها، وساعدت هذه القياسات في تحديد مدى تغيير الحلقات لمواقعها -سلوك شبيه بالسائل- أو أشكالها (سلوك صلب).

تحليل التفاعلات الميكانيكية

بدمج التجارب مع النماذج الحاسوبية والتحليلات الهندسية، وجد الباحثون أن الانتقال بين السلوك الصلب والسائل يعتمد على وصف هندسي بسيط، رغم التعقيد الظاهري الناتج عن التغيرات الكبيرة في الشكل والتفاعلات الاحتكاكية.

فبالرغم من التعقيد الكبير الظاهري الناتج عن عوامل متعددة مثل التغيرات الكبيرة في شكل الحلقات، وتأثير الاحتكاك بينها، اكتشف الباحثون أن الانتقال من السلوك الصلب إلى السائل يمكن وصفه بمعادلات هندسية تعتمد على مثل التمدد، أو الانحناء الزاوية، والمسافة بين نقاط التلامس بين الحلقات، مثل الضغط، أو القوى الجانبية.

وهذا يعني أن السلوك الكلي لمجموعة الحلقات لا يحتاج إلى تحليل كل التفاصيل المعقدة لتفاعلاتها الميكانيكية، بل يمكن تفسيره باستخدام معادلات رياضية بسيطة تعتمد على الأشكال الهندسية.

وتقدم هذه النتائج خطوة أولى لفهم كيفية تفاعل "الحبيبات الطرية" البيولوجية في الكائنات الحية، كما أنها تفتح المجال لتحليل دور العمليات الميكانيكية والكيميائية الحيوية في تشكيل الأنسجة والأعضاء، إذ يمكن تعديل التفاعلات بين الحلقات، أو إضافة خصائص مثل الالتصاق لمحاكاة البروتينات التي تربط الخلايا ببعضها في الأنسجة، كما يقدم فهماً جديداً لتحولات المواد الطرية، ليس فقط في التطبيقات البيولوجية ولكن أيضاً في مجالات مثل الهندسة الميكانيكية، والفيزياء. 

ولهذا الاكتشاف دور كبير في تفسير الظواهر الطبيعية، مثل السيول الطينية، والانهيارات الرملية، حيث تتحول المواد الحبيبية بشكل مفاجئ إلى سلوك يشبه السوائل.

تحليل المخاطر الجيولوجية

ويقول العلماء إن فهم هذه التحولات يساهم في تطوير نماذج تنبؤية لتحليل المخاطر الجيولوجية، مما يساعد في الحد من الكوارث الطبيعية وتأثيراتها.

كما أن لهذا الفهم تطبيقات مباشرة في الهندسة المدنية، حيث يساهم في تصميم أسس المباني التي تُشيّد على التربة الحبيبية، ويقلل من مخاطر الانهيارات الأرضية.

من ناحية أخرى، يقدم هذا الفهم رؤى مهمة في البحث العلمي الأساسي، حيث يُمكّن العلماء من دراسة التفاعلات بين الحبيبات وقوى الاحتكاك بينها، مما يسهم في تطوير نماذج رياضية وفيزيائية لتحليل ديناميكية المواد الحبيبية بشكل أفضل.

وهذا التحليل يمكن أن ينعكس إيجابياً على قطاعات متنوعة مثل الصناعات الدوائية، حيث يساعد في تحسين خلط المواد الفعالة، أو تعبئتها بكفاءة أكبر.

بفضل هذه النتائج، يمكن للعلماء الاقتراب أكثر من تصميم نماذج تحاكي السلوكيات المعقدة للأنسجة البيولوجية، ما قد يساعد على تطوير علاجات جديدة، وفهم أعمق لعمليات تطور الأجنة.