هذا الجزيء عبارة عن بلدوزر نانوية

ماجد علاوي

الحوار المتمدن-العدد: 7806 - 2023 / 11 / 25 - 02:48
المحور: الطب , والعلوم
    

اكتشف الباحثون أن جزيئا على شكل قلب يقفز في خطوط مستقيمة عند إعطائه رجة كهربائية.

بقلم إليز كاتس
Scientific American
6 كانون الأول 2023

ترجمة: ماجد علاوي

في غرفة في الطابق السفلي في جامعة گراتس النمساوية يتواجد خليط من الخزانات الفولاذية والأنابيب المغطاة بالثلج. يمكن لهذه الأداة، وهي مجهر نفقي للمسح، التقاط صور للذرات والجزيئات الفردية. إنها حساسة للغاية لدرجة أنها تعمل بشكل أفضل في الليل، عندما لا يكون هناك أحد في الجوار يمشي أو يتحدث أو يسبب اهتزاز في المبنى.
تعرض شاشة الكمبيوتر بجانب الجهاز صورا لنقاط صغيرة على شكل قلب مصفوفة على سطح نحاسي. "القلوب" هي، على وجه الدقة، جزيئات فردية: جزيئات دايتوليل-ATI [مادة هايدروكاربونية عطرية]. في وقت سابق من هذا العام، كان گرانت سيمبسون، الكيميائي في مختبر الفحص المجهري، يتلاعب بها، على أمل أن يحثها على التصرف مثل مفاتيح (Switches) ميكانيكية صغيرة جدا.
ما وجده بدلا من ذلك كان أكثر إثارة للاهتمام. عندما كانت الجزيئات تستثار بطرف مجهر مكهرب، كانت تقفز - لكنها لم تنطنط بعشوائية باتجاهات مختلفة. يقول سيمبسون: "بطريقة ما، أدركتُ، ببطء، أنها تتحرك في اتجاه واحد فقط".
القلوب القافزة هي نوع جديد تماما من المحركات النانوية الجزيئية - آلة صغيرة تستهلك الطاقة للتحرك بشكل هادف ضد المد الإنتروبي [التدهور الحتمي لنظام ما] الذي يسحب عالم المقاييس الصغيرة باستمرار إلى حركة عشوائية عديمة الغرض. يمكن لبعض المحركات النانوية التي هي من صنع الإنسان أن تدوّم (تدور حول نفسها) في مكانها، لكن القليل منها يمكن أن ينتقل بشكل موثوق من النقطة أ إلى النقطة ب. يأتي السحر الميكانيكي للمحرك الجديد، الموصوف مؤخرا في مجلة نيتشر، من التفاعل بين الجزيء وسطح النحاس الذي يتحرك على طوله - كما لو أنها محرك قطار تحتوي على أجزاء موجودة في عربة القطار ومثبتة في الطريق تحته.
إنها خطوة صغيرة ولكنها مهمة نحو حلم تقنية النانو للتمكن من بتاء الأشياء على طريقة بناء الطبيعة لها: من أسفل إلى أعلى، ذرة تلو الأخرى. "إذا بنينا كرسيا، فإننا نأخذ شجرة، ونقطعها"، كما يقول الفيزيائي ليونارد گريل، زميل سيمبسون في جامعة گراتس. "الطبيعة تفعل ذلك في الاتجاه المعاكس، الطبيعة تنمي الشجرة". إن الباحثين الذين يطورون مكائن منمنمة يتخيلون بأنهم سيستخدمونها لإنشاء مواد مبتكرة، ولزيادة التحفيز الصناعي والتلاعب بالأنسجة البيولوجية بمثل براعة الإنزيمات الحقيقية.
"لطالما دفعت النمنمة (التصغير) التقدم في التكنولوجيا"، كما يقول الكيميائي ديفيد لي من جامعة مانشستر. لكن المشكلة في تكنولوجيا النانو، كما يوضح، هي ببساطة أن الميكانيكا المألوفة في "العالم الكبير" لا تعمل على المستوى الجزيئي. في مثل هذه المقاييس الصغيرة، فإن العشوائية هي القاعدة. إذا ظلت خصائص مثل درجة الحرارة والطاقة والضغط ثابتة، فمن المرجح أن العمليات الصغيرة - بما في ذلك التفاعلات الكيميائية أو حركات الجسيمات - تحدث في كل اتجاه. إن الانتقال من الموضع أ إلى الموضع ب على مقياس النانو يشبه أن ترمي حجر زهر النرد [الزار] وتكون خطواتك إلى الأمام أو للخلف أو جانبيا معتمدة على نتيجة رمية الزار. يقول لي: "لا يمكنك استخدام الميكانيكا النيوتنية" في تكنولوجيا النانو. "هنا في تكنولوجيا النانو تستبعد بشكل أساسي جميع العمليات الهندسية التي بنيناها كحضارات على مدار الـ 5000 عام الماضية."
ولكن السؤال أساسا، لماذا إذن يعتقد العلماء أنه يجب أن يكون من الممكن تطوير آلات نانوية على الإطلاق؟ يقول "لي" إن الإجابة هي أن هناك بالفعل مثالا ناضجا وعمليا لمثل هذا التطوير، "ويسمى علم الأحياء". الإنزيمات الطبيعية المعقدة التي تجعل الأسواط في البكتيريا ترفرف، وتجعل العضلات ترتعش وتصنع الطاقة الكيميائية في الميتوكوندريا في الخلية، هذه كلها آلات جزيئية.
في عام 1999، قام العلماء بتصنيع أول محرك نانوي جزيئي حقيقي، وهو محرك دوار يعمل بطاقة الضوء تم الاعتراف به لاحقا بمنحه جائزة نوبل في الكيمياء. ومنذ ذلك الحين، طور العلماء العديد من أنواع المحركات ذات القدرات المختلفة. قامت الكيميائية ناتالي كاتسونيس من جامعة گرونينگن وزملاؤها مؤخرا بربط تريليونات من الدوارات النانوية معا ومزامنتها لتحريك بوليمر، يرى بالعين المجردة، من موضعه. وقد طور لي وزملاؤه محركات نانوية دوارة، مثل الإنزيمات البيولوجية، تتحرك عن طريق تسخير الطاقة الناتجة من التفاعلات الكيميائية التي يكون المحرك نفسه عامل تحفيز لها.
لكن المحركات الدوارة تدور في مكانها؛ وأثبتت المحركات الجزيئية التي تتحرك في خطوط مستقيمة، مثل القطارات على المسارات، أنها تمثل تحديا أكبر لبنائها. قام بعض الباحثين بتصنيع جزيئات على شكل حلقة يمكن أن تدور وتنزلق على طول سقالات على شكل كرتين يربطهما قضيب [دمبلز التمارين الحديدية]. ثم هناك الحمض النووي "الذي يمشي"، والذي له أرجل ويتحرك من خلال القيام خطوات، مثل بعض البروتينات الحركية البيولوجية. لكن "مشاة" الحمض النووي ضخمة نسبيا (وهي بدقة ليست "نانوية"، كما يقول "لي") ولا يمكنها اتخاذ سوى عدد قليل من الخطوات على طول مسارات من الحمض النووي مجهزة بعناية. ومع ذلك، فإن المحرك الجديد على شكل قلب يبلغ عرضه بضع نانومترات فقط وسيستمر في النط على طول مساره من ذرات النحاس طالما لم تقطع استمرارية السطح.
لقد اكتشف سيمبسون وگريل المحرك في الغالب عن طريق الصدفة - لقد كانت "صدفة خالصة"، كما يقول گريل. كان العالمان مفتونين في البداية بكيفية قيام جزيء دايتوليل-ATI بتقاذف إحدى ذرات الهيدروجين ذهابا وإيابا بين ذرتي النيتروجين، وهو سلوك اعتقد العلماء أنه يمكن أن يجعله مفيدا كمفتاح (Switch) نانوي. وبعد سنوات من العمل، حاول سيمبسون يرسب الجزيئات على نوع معين من سطح النحاس حيث يتم ترتيب الذرات في صفوف خطية. ولدهشته، أرسلت رجة من الكهرباء القلوب لنطنط على طول المسارات النحاسية. ثم أكد الباحثون أن الجزيئات تتحرك في اتجاه واحد فقط ويمكنها حتى دفع جزيئات أخرى مثل بلدوزرات النانوية.
هذا المحرك الجديد هو "سقاطة [زقاطة] طاقة"، كما يقول كاتسونيس، الذي لم يشارك في الدراسة. إنه يستخدم الطاقة - هنا رجة كهربائية - للتبديل بين حالتين، لكل منهما مجموعة مختلفة من الاحتمالات النشطة. إن إطلاق الجزيء يجعله يتمايل باتجاه حالته المثارة أكثر، وهي الحالة التي يكون فيها المضي قدما على طول السكة النحاسية هو الأمر الأكثر ملائمة. وعندما يعود الجزيء إلى حالته الأصلية غير المثارة، فإنه يقفز خطوة واحدة بالضبط إلى الأمام على طول المسار.
ويقول كاتسونيس: "في رأيي، إنه أمر مثير للاهتمام لسببين"، أولا، تتفاعل الجزيئات مع شيء أكبر منها، في هذه الحالة السطح النحاسي. ثانيا، تتحرك في خط على طول مسار ذري، وهو المفتاح لإتقان توجيه الحركة على المقياس النانوي، حسب قولها. وبعد كل شيء، فإن المحركات الجزيئية الخطية العديدة في علم الأحياء تندفع عادة على طول سقالات للسير في الاتجاه الصحيح.
يقول لي: "هذا أمر رائع حقا لأنه تحرك في اتجاه أحادي البعد فقط، في نظام منمنم للغاية". ربما لن تكون سقاطة الطاقة الجديدة محركا لروبوت نانوي أو لتجميع شجرة، ذرة تلو ذرة، في أي وقت قريب. ولكن يمكن دراستها بسهولة باستخدام مجاهر المسح النفقي، مما يجعلها نظام اختبار مثالي للتجارب المستقبلية مع سقاطة الطاقة، والمسارات والحركة الموجهة - ويقول كاتسونيس ولي إن هذه قفزة كبيرة في الاتجاه الصحيح.

#ماجد_علاوي (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات