الحديقة الكيميائية هي مجموعة من الهياكل المعقدة ذات مظهر بيولوجي معقد، يتم إنشاؤها عن طريق خلط المواد الكيميائية غير العضوية. البستنة الكيميائية هي تجربة في الكيمياء تجرى عادة عن طريق إضافة أملاح معدنية، مثل كبريتات النحاس أو كلوريد الكوبالت، إلى محلول مائي من سيليكات الصوديوم.
ربما تكون الحدائق الكيميائية أفضل مثال في الكيمياء لعملية عدم التوازن ذاتية التنظيم التي تخلق هياكل معقدة. يمكن للعديد من الأنظمة والمواد الكيميائية المختلفة أن تشكل هذه الهياكل ذاتية التجميع، والتي تمتد على الأقل لتتضاعف بحدود ثماني مرات من حيث الحجم، من نانومتر إلى أمتار. مفتاح هذه الأعجوبة هو الانتشار الذاتي تحت تأثير السوائل في مناطق التفاعل التي تشكل أغشية ترسيب شبه نفوذة تحافظ على تدرجات تركيز شديدة الانحدار، مع التناضح والطفو كقوى دافعة لتدفق السوائل. تمت دراسة الحدائق الكيميائية من الخيميائيين وغيرهم، ولكننا بدأنا الآن في القرن الحادي والعشرين نفهم كيف يمكن أن تقودنا إلى مجال جديد من الهياكل المنظمة ذاتياً من الأغشية شبه القابلة للنفاذ والمواد الصلبة غير المتبلورة وكذلك متعددة البلورات المنتجة في واجهة الكيمياء وديناميكيات السوائل وعلوم المواد. نقترح تسمية هذا المجال الكيميائي الناشئ.
على مدى القرون الأربعة الماضية كانت هياكل هطول الأمطار المذهلة والمعروفة باسم الحدائق الكيميائية (أو السيليكا والسيليكات والكريستال) موضوعاً للفتنة، فضلاً عن أساس النظريات الفلسفية والعلمية المختلفة، وإلهام الأدب، والدافع للعديد من التجارب. يوجد تشابه بصري واضح بين هياكل الحدائق الكيميائية المترسبة ومجموعة متنوعة من الأشكال البيولوجية بما في ذلك النباتات والفطريات والحشرات، وفي بعض النواحي، عملية تكوين الحدائق الكيميائية من "بذرة" غير عضوية في محلول تفاعلي، يذكرنا بنمو النبات من البذور في الماء أو التربة. تسببت هياكل وعمليات المحاكاة الحيوية هذه منذ البداية في تساؤل الباحثين: هل تشترك الحدائق الكيميائية والهياكل البيولوجية في أي عمليات تكوين مماثلة؟ هل يمكن أن تعلمنا هذه الهياكل غير العضوية عن التكوين البيولوجي، أم أن التشابه عرضي فقط؟ هل هي مرتبطة بأصل الحياة؟ وإذا تأثر هطول الأمطار بالمعلمات الكيميائية والبيئية، فهل يمكن التحكم في العملية لبناء هياكل معقدة كما تفعل البيولوجيا، لإنتاج رواسب ذاتية التنظيم كمواد مفيدة؟
على الرغم من أن هذه العملية في الفيزياء قد لا تكون ذات فائدة كبيرة: إلا أنها تقدم معلومات جيدة للطبيب الكيميائي عن حالة الأشياء الطبيعية وتغيرها.
محلول الماء الذي عند وضع أي معدن فيه، يبدأ في النمو خلال أربع وعشرين ساعة على شكل نباتات وأشجار، كل معدن وفقاً لألوانه وخصائصه الداخلية، والتي تسمى النباتات المعدنية بالأشجار الفلسفية، وكلاهما ممتع للعين وسهل الاستخدام حيث يمنح الحديد اللون البني الداكن، والنحاس يعطي اللون الأخضر، أما الرصاص والقصدير والزئبق فتعطي اللون الأبيض والرمادي والفضي واللون الأصفر الذهبي.
طور علماء جامعة ولاية فلوريدا أنموذجاً رياضياً يشرح النمو وتشكيل الأنماط وخصائص الشفاء الذاتي للحدائق الكيميائية. يمكن أن تؤدي هذه الأفكار إلى تطوير مواد ذاتية الإصلاح.
منذ منتصف القرن السابع عشر، كان الكيميائيون مفتونين بالتركيبات ذات الألوان الزاهية الشبيهة بالشعاب المرجانية التي تتشكل عن طريق خلط الأملاح المعدنية في زجاجة صغيرة.
حتى الآن لم يكن الباحثون قادرين على نمذجة كيفية عمل هذه الهياكل الأنبوبية البسيطة المخادعة - المسماة بالحدائق الكيميائية - والأنماط والقواعد التي تحكم تكوينها.
في ورقة بحثية نُشرت هذا الأسبوع في Proceedings of the National Academy of Sciences، وضع باحثو جامعة ولاية فلوريدا أنموذجاً يشرح كيف تنمو هذه الهياكل إلى أعلى، وتشكل أشكالاً مختلفة، وكيف تنتقل من مادة مرنة ذاتية الشفاء إلى مادة أكثر هشاشة.
قال أوليفر شتاينبوك، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة فورين بوليسي، "في سياق المواد، إنه أمر ممتع للغاية". "إنها لا تنمو مثل البلورات. البلورة لها زوايا حادة لطيفة وتنمو طبقة ذرية فوق طبقة ذرية. وعندما يحدث ثقب في حديقة كيميائية، فإنه يشفى ذاتياً. هذه بالفعل خطوات مبكرة في تعلم كيفية صنع مواد يمكنها إعادة تكوين نفسها وإصلاحها".
تتشكل الحدائق الكيميائية عادة عندما توضع جزيئات الملح المعدنية في محلول السيليكات. يتفاعل الملح المذاب مع المحلول لإنشاء غشاء نصف نافذ يرتفع إلى أعلى في المحلول، ما يخلق بنية بيولوجية تشبه المرجان.
لاحظ العلماء الحدائق الكيميائية لأول مرة في عام 1646 وظلوا مفتونين منذ سنوات بتشكيلاتها المثيرة للاهتمام. ترتبط الكيمياء بتكوين فتحات حرارية مائية وتآكل الأسطح الفولاذية حيث يمكن أن تتشكل الأنابيب غير القابلة للذوبان.
قال شتاينبوك: "أدرك الناس أن هذه أشياء غريبة. لديهم تاريخ طويل جداً في الكيمياء. أصبح الأمر أشبه بتجربة توضيحية، ولكن في السنوات العشر إلى العشرين الماضية، أصبح العلماء مهتمين بها مرة أخرى".
جاء الإلهام للأنموذج الرياضي الذي طوره شتاينبوك، جنباً إلى جنب مع الباحث ما بعد الدكتوراه برونو باتيستا وطالب الدراسات العليا أماري موريس، من التجارب التي حقنت بشكل مطرد محلول الملح في حجم أكبر من محلول السيليكات بين لوحين أفقيين. والتي أظهرت أنماط نمو مميزة وأن المادة تبدأ بالتمدد، ولكن مع تقدم العمر، تصبح المادة أكثر صلابة وتميل إلى الانكسار.
سمح الحبس بين طبقتين للباحثين بمحاكاة عدد من أنماط الأشكال المختلفة، بعضها يشبه الزهور والشعر واللوالب والديدان.
وصف الباحثون في أنموذجهم كيف تظهر هذه الأنماط على مدار تطور الحديقة الكيميائية. يمكن أن تختلف محاليل الأملاح كثيراً في التركيب الكيميائي، لكن أنموذجها يشرح عالمية التكوين.
على سبيل المثال، يمكن أن تتكون الأنماط من جزيئات فضفاضة أو أغشية مطوية أو خيوط ذاتية التمدد. تحقق الأنموذج أيضاً من صحة الملاحظات التي تشير إلى أن الأغشية الجديدة تتوسع استجابةً للعدوى الدقيقة، ما يدل على قدرات الشفاء الذاتي للمادة. قال باتيستا: الشيء الجيد الذي حصلنا عليه، هو أننا دخلنا في جوهر ما هو مطلوب لوصف شكل ونمو الحدائق الكيميائية.
----