الروبوتات النانوية السريعة يمكنها يومًا ما أن تنظف التربة والمياه وتوصل الأدوية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Speedy nanorobots could someday clean up soil and water, deliver drugs
(Kelsey Simpkins – بقلم: كيلسي سيمبكينز)

ملخص المقالة:

اكتشف باحثو جامعة كولورادو في مدينة بولدر أن الجسيمات الصغيرة ذاتية الدفع المسماة “السبَّاحات النانوية” يمكنها الهروب من المتاهات بمعدل أسرع 20 مرة من الجسيمات السلبية الأخرى، مما يمهد الطريق لاستخدامها في كل شيء بدءًا من عمليات معالجة التربة الملوثة، وتحسين تنقية المياه أو حتى توصيل الأدوية إلى المناطق المستهدفة من الجسم، مثل الأنسجة الكثيفة. وهذه السبَّاحات النانوية هي جسيمات كروية صغيرة تتكون من بوليمر أو سيليكا، مصممة هندسيًا بخصائص كيميائية مختلفة على كل جانب من جوانب الكرة. ويشجع أحد نصفي الكرة حدوث تفاعلات كيميائية، ولكن ليس النصف الآخر. وينتج عن ذلك حقلاً كيميائيًا يسمح للجسيم بأخذ الطاقة من البيئة وتحويلها إلى حركة اتجاهية – تُعرف أيضًا باسم الدفع الذاتي.

( المقالة )

اكتشف باحثو جامعة كولورادو في مدينة بولدر أن الجسيمات الصغيرة ذاتية الدفع المسماة “السبَّاحات النانوية” يمكنها الهروب من المتاهات بمعدل أسرع 20 مرة من الجسيمات السلبية الأخرى، مما يمهد الطريق لاستخدامها في كل شيء بدءًا من عمليات التنظيف الصناعية وحتى توصيل الأدوية.

وتصف النتائج التي نُشرت هذا الأسبوع (29 يونيو) في دورية “وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم” (Proceedings of the National Academy of Sciences) ، كيف أن هذه الروبوتات النانوية الاصطناعية الدقيقة فعالة بشكل لا يصدق في الهروب من التجاويف داخل البيئات الشبيهة بالمتاهة. ويمكن استخدام هذه السبَّاحات النانوية (nanoswimmers) يومًا ما لمعالجة التربة الملوثة، وتحسين تنقية المياه أو حتى توصيل الأدوية إلى المناطق المستهدفة من الجسم، مثل الأنسجة الكثيفة.

“هذا اكتشاف لظاهرة جديدة تمامًا تشير إلى نطاق واسع محتمل من التطبيقات” ، قال البروفيسور دانيال شوارتز، المؤلف الأول للورقة العلمية وأستاذ كلية غلين إل مورفي للهندسة الكيميائية والبيولوجية.

وقد لفتت هذه السبَّاحات النانوية انتباه مجتمع الفيزياء النظرية منذ حوالي 20 عامًا، وقد تخيل الناس ثروة من تطبيقات العالم الحقيقي، وفقًا للبروفيسور لشوارتز. ولكن لسوء الحظ، لم تتحقق هذه التطبيقات الملموسة بعد، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه كان من الصعب جدًا مراقبة ونمذجة حركتها في البيئات ذات الصلة – حتى الآن.

وهذه السبَّاحات النانوية، والتي تسمى أيضًا جسيمات جانوس (سميت على اسم إله روماني برأسين)، هي جسيمات كروية صغيرة تتكون من بوليمر أو سيليكا، مصممة هندسيًا بخصائص كيميائية مختلفة على كل جانب من جوانب الكرة. ويشجع أحد نصفي الكرة حدوث تفاعلات كيميائية، ولكن ليس النصف الآخر. وينتج عن ذلك حقلاً كيميائيًا يسمح للجسيم بأخذ الطاقة من البيئة وتحويلها إلى حركة اتجاهية – تُعرف أيضًا باسم الدفع الذاتي.

وقال البروفيسور شوارتز: “في علم الأحياء والكائنات الحية، فإن دفع الخلية هو الآلية المهيمنة التي تسبب حدوث الحركة، ومع ذلك، نادرًا ما تستخدم في التطبيقات الهندسية. ويشير عملنا إلى أن هناك الكثير الذي يمكننا القيام به بالدفع الذاتي”.

وفي المقابل، تُعرف الجسيمات السلبية التي تتحرك بشكل عشوائي (نوع من الحركة يعرف باسم الحركة البراونية [١]) باسم الجسيمات البراونية. وتم تسميتها على اسم العالم روبرت براون من القرن التاسع عشر، الذي درس أشياء مثل الحركة العشوائية لحبوب اللقاح المعلقة في الماء.

وقام الباحثون بتحويل هذه الجسيمات البراونية السلبية إلى جسيمات جانوس (السبَّاحات النانوية) لهذا البحث. ثم جعلوا هذه السبَّاحات النانوية ذاتية الدفع تحاول التحرك عبر متاهة مصنوعة من وسط مسامي، وقارنوا مدى كفاءة وفعالية طرق الهروب مقارنة بالجسيمات البراونية السلبية. وكانت النتائج مروعة، حتى للباحثين.

وكانت جسيمات جانوس فعالة بشكل لا يصدق في الهروب من التجاويف داخل المتاهة – أسرع بعشرين مرة من الجسيمات البراونية – لأنها تحركت بشكل استراتيجي على طول جدران التجويف بحثًا عن الثقوب، مما سمح لها بالعثور على المخارج بسرعة كبيرة. وكما يبدو أن دفعهم الذاتي يمنحهم دفعة من الطاقة اللازمة للمرور عبر فتحات الخروج داخل المتاهة.

“نحن نعلم أن لدينا الكثير من التطبيقات للروبوتات النانوية ، خاصة في البيئات الضيقة جدًا ، لكننا لم نكن نعرف حقًا كيف تتحرك وما هي المزايا مقارنة بالجسيمات البراونية التقليدية. لهذا السبب بدأنا المقارنة بين هذين الاثنين” ، قال هايشاو وو، المؤلف الرئيسي للورقة العلمية وطالب الدراسات العليا في الهندسة الكيميائية والبيولوجية. وأضاف: “وجدنا أن السبَّاحات النانوية قادرة على استخدام طريقة مختلفة تمامًا للبحث حول بيئات المتاهة هذه”.

في حين أن هذه الجسيمات صغيرة للغاية، حوالي 250 نانومتر – أعرض من شعر الإنسان (160 نانومتر)، لكنها لا تزال أصغر بكثير من رأس دبوس (1-2 مليمتر) – فإن العمل قابل للتطوير. وهذا يعني أن هذه الجسيمات يمكن أن تتنقل وتتخلل المساحات كأنسجة مجهرية مثل الأنسجة البشرية لنقل البضائع وتوصيل الأدوية، وكذلك من خلال التربة تحت الأرض أو شواطئ الرمال لإزالة الملوثات غير المرغوب فيها.

السبَّاحات النانوية المحتشدة

تتمثل الخطوة التالية في هذا الخط من البحث في فهم كيفية تصرف السبَّاحات النانوية في مجموعات داخل بيئات محصورة، أو بالاشتراك مع جسيمات سلبية.

“في البيئات المفتوحة، من المعروف أن السبَّاحات النانوية يظهرن سلوكًا ناشئًا – سلوكًا أكثر من مجموع أجزائه – يحاكي حركة حشود أسراب الطيور أو أسراب الأسماك. وكان هذا كثيرًا من الحافز لدراستها”، قال البروفيسور شوارتز.

وتتمثل إحدى العقبات الرئيسية التي تحول دون الوصول إلى هذا الهدف في الصعوبة التي تنطوي عليها القدرة على مراقبة وفهم الحركة ثلاثية الأبعاد لهذه الجسيمات الدقيقة في أعماق مادة تشتمل على مساحات مترابطة معقدة.

وتغلَّب وو على هذه العقبة باستخدام سائل معامل الانكسار في الوسط المسامي، وهو سائل يؤثر على سرعة انتقال الضوء عبر المادة. وجعل هذا المتاهة غير مرئية بشكل أساسي، مع السماح بمراقبة حركة الجسيمات ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية تُعرف باسم الفحص المجهري لوظيفة نقطة اللولب المزدوج.

وقد مكَّنه هذا من تتبع مسارات ثلاثية الأبعاد للجسيمات وإنشاء تمثيلات بصرية، وهو تقدم كبير من النمذجة ثنائية الأبعاد النموذجية للجسيمات النانوية. وبدون هذا التقدم، لم يكن من الممكن فهم حركة وسلوك الأفراد أو مجموعات السباحات النانوية بشكل أفضل.

وقال وو: “هذه الورقة العلمية هي الخطوة الأولى: فهي توفر نظامًا نموذجيًا ومنصة تصوير تمكننا من الإجابة على هذه الأسئلة”. وتابع: “تتمثل الخطوة التالية في استخدام هذا النموذج مع عدد أكبر من السبَّاحات النانوية، لدراسة كيفية قدرتهن على التفاعل مع بعضهن البعض في بيئة محصورة”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-06-speedy-nanorobots-soil-drugs.html

لمزيد من المعلومات: هايتشاو وو وآخرون، Mechanisms of transport enhancement for self-propelled nanoswimmers in a porous matrix, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2101807118

الهوامش:

[١] الحركة البراونية هي الحركة العشوائية للجسيمات العالقة في وسط (سائل او غاز). ويتكون نمط الحركة البراونية هذا عادة من تقلبات عشوائية في موضع الجسيم داخل محال فرعي مانع، متبوعًا بنقل الى مجال فرعي آخر. ويتبع كل نقل مزيد من التقلبات داخل الحجم المغلق الجديد. ويصف هذا النمط سائلًا عند توازن حراري، محددًا بدرجة معينة. وضمن هذا المانع، لا يوجد اتجاه تفصيلي للتدفق (كما هو الحال في ظواهر النقل). وبشكل أكثر تحديدًا، يظل العزم الخطي والزاوي الكلي للسائل فارغًا بمرور الوقت. الطاقات الحركية للحركات البراونية الجزيئية، جنبا الى جنب مع تلك الخاصة بالدوران الجزيئي والاهتزازات، تلخص مكون السعرات الحرارية للطاقة الداخلية للسائل (نظرية التقسيم المتساوي). وسميت هذه الحركة على اسم عالم النبات روبرت براون، الذي وصف الظاهرة لأول مرة في عام 1827، بينما كان ينظر من خلال مجهر الى خبوب اللقاح للنبات كلاركيا پولتشيللا (Clarkia pulchella) المغمورة في الماء. وفي عام 1905،بعد ما يقرب من 80 عامًا، نشر الفيزيائي النظري ألبرت أينشتاين ورقة علمية حيث صاغ حركة جزيئات حبوب اللقاح على أنها تتحرك بواسطة جزيئات الماء الفردية، مما جعل واحدة من أولى مساهماته العلمية الرئيسية. ويكيبيديا.

[٢] يمكن تصنيع هياكل العقيق (الأوبال) المعكوسة بسهولة من قوالب الكريستال الغروية (عقيق)، عن طريق ملء الفراغات في العقيق بمادة عازلة، ثم إزالة قالب العقيق الأصلي عن طريق الحفر الكيميائي الرطب في حالة السيليكا (SiO2) أو التكليس في حالة كريات البوليمر. والعقيق (opal) هو شكل رطب (اتحد مع الماء) غير متبلور من السيليكا. قد يتراوح محتواه المائي من 3 إلى 21٪ من حيث الوزن، ولكنه يتراوح عادة بين 6 و 10٪. وبسبب طابعه غير المتبلور، فإنه يصنف على أنه مادة طبيعية شبيهة بالمعادن لا تظهر التبلور، على عكس الأشكال البلورية للسيليكا، والتي تصنف على أنها معادن. ويكيبيديا.