اكتشف الباحثون أن جزيئة على شكل قلب ستقفز في خطوط مستقيمة عند تلقي صدمة كهربائية
مقدمة
في غرفة في قبو جامعة غراتس في النمسا توجد مجموعة من الخزانات الفولاذية والأنابيب المغطاة بالثلج. يمكن لجهاز المجهر النفقي الماسح التقاط صور للذرات والجزيئات الفردية. إنه حساس للغاية حتى يعمل بشكل أفضل في الليل عندما لا يوجد أحد للمشي أو التحدث أو إحداث اهتزاز للمبنى.
اكتشاف جزيئة الجرافة النانومترية
تظهر شاشة الكمبيوتر بجوار الجهاز صورًا لكتل صغيرة على شكل قلب مرتبة على سطح نحاسي. تلك القلوب هي جزيئات فردية: جزيئات ديتوليل-ATI، لتكون دقيقة. في وقت سابق من هذا العام، كان جرانت سيمبسون، كيميائي في مختبر المجهرية، يلعب معها على أمل أن يتم تحفيزها لتعمل كمفاتيح ميكانيكية صغيرة جدًا.
الجزيئة النانومترية الجديدة
تعتبر القلوب القافزة نوعًا جديدًا تمامًا من المحركات النانومترية الجزيئية – آلة صغيرة تنفق طاقة للتحرك بشكل مقصود ضد المد والجزر العشوائي الذي يجذب العالم على نطاق صغير إلى حركة عشوائية وغير مجدية. يمكن لبعض المحركات النانومترية التي تم صنعها بواسطة الإنسان أن تدور في مكان واحد، ولكن القليل منها يمكنه التحرك بشكل موثوق من نقطة أ إلى نقطة ب. يأتي السحر الميكانيكي للمحرك الجديد من التفاعل بين الجزيء وسطح النحاس الذي يتحرك عليه – كما لو كان لديه محرك سيارة أجزاء في السيارة ومدمجة في المسار أدناه.
التحديات في تطوير التكنولوجيا النانومترية
تشير الكيميائية ديفيد لي من جامعة مانشستر إلى أن المشكلة في التكنولوجيا النانومترية هي أن الميكانيكيات المألوفة في العالم الكبير ببساطة لا تعمل على المستوى الجزيئي. في مثل هذه المقاييس الصغيرة، يسود العشوائية. إذا تم الاحتفاظ بالخصائص مثل درجة الحرارة والطاقة والضغط ثابتة، فإن العمليات على نطاق صغير – بما في ذلك التفاعلات الكيميائية أو حركة الجسيمات – من المحتمل أن تحدث بنفس الاحتمال في كل اتجاه. التحرك من نقطة أ إلى نقطة ب على المستوى النانومتري يشبه رمي النرد واتخاذ خطوات إلى الأمام أو الخلف أو جانبيًا اعتمادًا على النتيجة. “لا يمكنك استخدام الميكانيكا النيوتنية” في التكنولوجيا النانومترية، يقول لي. “هذا يستبعد بشكل أساسي جميع العمليات الهندسية التي بنيناها كحضارات على مدى الـ 5000 سنة الماضية”.
التكنولوجيا النانومترية والأمثلة من الطبيعة
لماذا يعتقد العلماء أنه يمكن تطوير آلات نانومترية على الإطلاق؟ يقول لي إن الجواب هو أن هناك بالفعل مثال ناضج وعامل في العمل، “وهو ما يسمى بالبيولوجيا”. الإنزيمات الطبيعية المعقدة التي تتحرك بالكفة الجرثومية، وتتقلص عضلات الحيوانات وتركب الطاقة الكيميائية في ميتوكوندريا الخلية جميعها آلات جزيئية.
المحركات النانومترية الجزيئية
في عام 1999، قام العلماء بتخليق أول محرك نانومتري جزيئي حقيقي، وهو محرك دوار مدعوم بالضوء تم تكريمه لاحقًا بجائزة نوبل في الكيمياء. منذ ذلك الحين، طور العلماء العديد من أنواع المحركات ذات القدرات المختلفة. مؤخرًا، لصقت الكيميائية ناتالي كاتسونيس من جامعة غرونينغن وزملاؤها تريليونات من المحركات النانومترية معًا ومزقوها لتحريك بوليمر ماكروسكوبي. وقد طور لي وزملاؤه محركات نانومترية دوارة تتحرك بواسطة استغلال الطاقة من التفاعلات الكيميائية التي يحفزها المحرك نفسه.
التحديات في بناء المحركات النانومترية الخطية
بناء المحركات النانومترية الدوارة في مكانها؛ المحركات الجزيئية التي تتحرك في خطوط مستقيمة، مثل القطارات على المسارات، كانت تشكل تحديًا أكبر للبناء. بعض الباحثين قاموا بتخليق جزيئات على شكل حلقة يمكن أن تدور وتنزلق على منصات على شكل دمبل. ثم هناك “المشي بواسطة الحمض النووي”، الذي لديه أرجل ويتحرك عن طريق خطوات، مثل بعض البروتينات الحيوية المحركة. ولكن المشي بواسطة الحمض النووي ثقيل نسبيًا (ليس صارمًا “نانو”، يقول لي) ويمكن أن يأخذ عددًا قليلًا من الخطوات على المسارات الحمض النووي المصنعة مسبقًا بعناية. ومع ذلك، فإن المحرك الجديد على شكل القلب صغير جدًا وسيستمر في القفز على مساره من ذرات النحاس طالما أن السطح لم يتم انقطاعه.
اكتشاف المحرك الجديد
اكتشف سيمبسون وجريل المحرك بالغالب بالصدفة – إنه “حظ بحت”، وفقًا لجريل. في البداية، كان العلماء مهتمين بكيفية رمي جزيء ديتوليل-ATI أحد ذرات الهيدروجين الخاصة به بين ذرتي النيتروجين، وهو سلوك يعتقد العلماء أنه يمكن أن يجعله مفتاحًا نانومتريًا. بعد سنوات من العمل، حاول سيمبسون وضع الجزيئات على نوع معين من سطح النحاس الذي تترتب فيه الذرات في صفوف خطية. لدهشته، أرسلت صدمة كهربائية القلوب تقفز على المسارات النحاسية. ثم أكد الباحثون أن الجزيئات تتحرك في اتجاه واحد فقط ويمكنها حتى دفع جسيمات أخرى مثل جرافات نانومترية.
المحرك الجديد كآلة نانومترية
يقول كاتسونيس، الذي لم يشارك في الدراسة، إن هذا المحرك الجديد هو “مفتاح طاقة”، وهو يستخدم الطاقة – هنا صدمة كهربائية – للتبديل بين حالتين، كل منهما له مجموعة مختلفة من الإمكانيات الطاقوية. يجعل تفعيل الجزيء ينتقل إلى حالته المثيرة للإعجاب أكثر، حيث يكون التحرك إلى الأمام على السكة النحاسية مفضلاً. عندما يعود الجزيء إلى حالته الأصلية غير المثيرة للإعجاب، يقفز إلى الأمام بخطوة واحدة على المسار.
أهمية الجزيئة النانومترية الجديدة
تقول كاتسونيس إنها مثيرة للاهتمام لسببين. أولاً، تتفاعل الجزيئات مع شيء أكبر منها، في هذه الحالة سطح. ثانيًا، تتحرك في خط على مسار ذري – وهو المفتاح لاحتراف الحركة الاتجاهية على المستوى النانومتري، وتقول إنه بعد كل شيء، يتجول العديد من المحركات الجزيئية الخطية في البيولوجيا على منصات للسفر في الاتجاه الصحيح.
الاستنتاج
يقول لي إن هذا جميل حقًا لأنه يتحرك في اتجاه واحد بشكل أحادي البعد، في نظام بسيط جدًا. ربما لن يدفع المحرك الجديد بوتيرة نانومترية أو يجمع شجرة ذرة بذرة في وقت قريب. ولكن يمكن دراسته بسهولة باستخدام المجاهر النفقية الماسحة، مما يجعله نظام اختبار مثالي للتجارب المستقبلية مع مفاتيح الطاقة والمسارات والحركة الاتجاهية – ويقول كاتسونيس ولي أن هذا خطوة كبيرة في الاتجاه الصحيح.
إليز كاتس هي صحفية علمية حرة تغطي علوم الأرض والحياة.
المصدر: المقالة الأصلية “Nanoscale Bulldozer” في مجلة ساينتفيك أميريكان، المجلد 329، العدد 5 (ديسمبر 2023)، ص. 14
المصدر: https://www.scientificamerican.com/article/nanoscale-bulldozer/
Source: https://www.scientificamerican.com/article/this-molecule-is-a-nanoscale-bulldozer/
اترك تعليقاً