إليكم بلورات النانو التي قد تحسن الحياة

تتبع الباحثون لأول مرة عملية فريدة في نمو البلورات الصغيرة، والتي يمكن أن تحسن حياتنا والتي ربما حدثت في بداية الحياة

ما هو القاسم المشترك بين الدواء الذي يعمل بشكل جيد على أجسامنا، لتحسين جودة شاشة الكمبيوتر أو الهاتف الذكي لدينا وحتى استخدام الخصائص الفريدة للحيوانات لغرض تطوير تكنولوجيا النانو الحالية؟ الجواب: فهم عمليات تبلور الهياكل البلورية. البلورات النانوية عبارة عن تكوين مجهري من الجزيئات (المعادن والأملاح والعناصر الغريبة أو المواد العضوية)، والتي تميل إلى تنظيم نفسها في هياكل هندسية منتظمة مثل المكعبات والقضبان والمجالات وغيرها. أثبتت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة تل أبيب لأول مرة أن هناك تأثير نظائري في تكوين البلورات النانوية وهو ما يعني تغير كتلة الذرات في التفاعل الكيميائي دون تغيير طبيعتها الكيميائية. وتمكن الباحثون من ملاحظة هذه الظاهرة في البلورات النانوية التي تحتوي على الفوسفور وعناصر من عائلة اللانثانيدات، وادعوا أن هذا الاكتشاف يمكن أن يشكل أساسًا للبحث في أنظمة بلورية أخرى.

سر فهم تكوين الحياة

قاد البحث البروفيسور جيل ماركوفيتش وطالب الدكتوراه جال شورتز من مدرسة الكيمياء في كلية العلوم الدقيقة بقلم ريموند وبيرلي ساكلر. تبحث مجموعة البروفيسور ماركوفيتش في الظواهر الفيزيائية والكيميائية الفريدة على مقياس النانومتر، كعلم أساسي وكخطوة على طريق تطوير الأجهزة التكنولوجية المختلفة. وشارك في البحث أيضًا البروفيسور أمير جولدبورت والدكتور أوري حنانال من جامعة تل أبيب، والدكتورة ليات أبراهام من قسم البنى التحتية للأبحاث الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم. تم نشر المقال في المجلة المرموقة للجمعية الكيميائية الأمريكية (JACS).

"في عالم البلورات هناك العديد من أشكال التناظر المختلفة التي بموجبها ترتب الذرات نفسها في البلورة. ففي الكوارتز على سبيل المثال، وهو المكون الرئيسي للرمل ويحتوي على ذرات السيليكون والأكسجين، يكون للذرات ترتيب حلزوني. يمكن أن يدور مثل هذا الملف في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة، وهما في الواقع تماثلان متعاكسان يمثلان صورة مرآة لبعضهما البعض. لذلك، فإن الرمال التي نعرفها تحتوي على مجموعتين من بلورات الكوارتز: 50% من الذرات مرتبة في ملفات يمينية و50% مع ملفات يسارية (في اتجاه عقارب الساعة/عكس اتجاه عقارب الساعة). نسبة 50:50 هي لأنه عادة لا يوجد تفضيل لاتجاه معين. نحن ندرس إنشاء بلورات أخرى بنفس نوع التماثل والتأثير على النسبة بين اليد اليمنى واليد اليسرى. "أي أنها تسبب نوعًا من كسر التماثل في تكوينها بجميع أنواع الطرق"، يوضح البروفيسور ماركوفيتش.

"إن الأسئلة العلمية الأساسية مثل كسر التماثل في العمليات الكيميائية (بما في ذلك التكوين) ترتبط أيضًا بفهم تكوين الحياة على الأرض. إن جزيئات الحياة المختلفة، مثل الحمض النووي والبروتينات والسكريات وغيرها، تكون مصحوبة أيضًا بكسر التناظر. ولذلك فإن الاهتمام العام لعالم الأبحاث حول تكوين البلورات يؤثر على العديد من مجالات حياتنا، بدءاً بإنتاج المواد الطبية، لأن الشكل الذي يستقبل به جسمنا المواد الطبية مهم جداً لسلوكه عند دخوله الجسم. لذلك، فإن جزءًا كبيرًا من العمل في صناعة الأدوية يتعامل مع التركيبة، مع الاهتمام بالشكل الذي سيتم إدخالها به إلى الجسم، ويتم ذلك، على سبيل المثال، عن طريق تشكيل الجزيئات إلى بلورات صغيرة بحجم معين. "والبنية البلورية"، يوضح.

"هناك أيضًا مسألة التمعدن الحيوي: حيث تنتج العديد من الحيوانات هياكل بلورية معقدة داخل أجسامها مثل الهيكل العظمي والدروع وما شابه. إن فهم عمليات التبلور يمكن أن يساهم كثيرًا في الفهم البيولوجي للحيوانات وأيضًا كيفية نسخ القدرة على إنشاء مواد ذات خصائص خاصة من الطبيعة، مثل القوة والمرونة والمزيد". ويقدم البروفيسور ماركوفيتش مثالاً آخر.

وفي الطريق إلى التبلور، يتم فحص تأثير المذيب الكيميائي

وفي دراستهم الجديدة، حاول البروفيسور ماركوفيتش وطالبه تتبع تأثير نوع المذيب الذي تتطور فيه البلورات النانوية، على معدل نموها، ولهذا قاموا بمقارنة الماء العادي والماء الثقيل، الذي يتم فيه استبدال الهيدروجين بـ نظير يسمى الديوتيريوم.

"عندما تضع مكونات البلورة المدروسة في بيئة مائية حمضية، فإنها تتبلور إلى أعواد نانوية. وفي التجربة، قمنا برصد ظهور انبعاث الضوء من البلورات النانوية بعد تشعيعها بالأشعة فوق البنفسجية، وهي ظاهرة لا تحدث إلا عندما تبدأ البلورات في التشكل. الابتكار الذي أظهرناه هو أن نوع المذيب يؤثر على عملية نمو البلورات. قمنا بمقارنة مذيب من نوع الماء الثقيل مع الماء العادي، ولاحظنا أن عملية التبلور في الماء الثقيل تستغرق وقتًا أطول بكثير مقارنة بالمياه العادية. وكانت الخطوة التالية هي فك رموز الآلية الحركية الكامنة وراء هذا التأثير النظائري"، يوضح البروفيسور ماركوفيتش.

ويوضح الباحثون أن الظواهر من هذا النوع تساعد على فهم أفضل للعمليات الأولية التي تسبب تكوين البلورات في المحلول. وفي هذه الدراسة، وكذلك في العديد من الدراسات في مجال النانو، استخدم الباحثون تقنيات طيفية متقدمة لفهم متعمق لهذه الظاهرة.

"في محاولة لمواصلة فك رموز آلية نمو البلورات، استخدمنا قياسات الرنين المغناطيسي النووي (الطريقة التي هي أساس التصوير بالرنين المغناطيسي)، لذرات الفوسفور، وذلك لمتابعة المرحلة الأولية لتكوين نواة التكوين. أخذنا عينات من مراحل مختلفة من الورم وأوقفنا التفاعل. وهكذا وجدنا أنه قبل تكوين النوى البلورية الأولية، تتشكل مجموعات غير مرتبة من الوحدات البنائية للبلورة، وعندما تصل إلى حجم حرج معين، تصبح على الفور النواة الأولية التي ستستمر البلورة في النمو منها. يقول طالب الدكتوراه جال شورتز: "من المذهل أن نرى اختلافًا بسيطًا في مكون تافه ظاهريًا، وهو المذيب الكيميائي، يؤثر بطريقة مثيرة على الديناميكيات الكيميائية التي تمر بها الجسيمات في طريقها إلى التبلور".

اليوم، معظم الأجهزة الإلكترونية التي نعرفها تستخدم تكنولوجيا النانو، من شاشات التلفزيون إلى الهواتف الذكية إلى معالجات الكمبيوتر. وفقًا للباحثين، فإن القدرة على المضي قدمًا فيما يتعلق بتصغير المكونات الإلكترونية، لتحسين توصيلها، وبالتالي تحسين تجربة المستخدم - تعتمد على الفهم الكيميائي والعلوم الأساسية من هذا النوع. ووفقا للباحثين، فإن النتيجة المباشرة لهذه الدراسة وما شابهها هي فهم أفضل لعمليات التكوين، في المختبر وفي الطبيعة، وبشكل غير مباشر قد يكون هناك أيضا تأثير على المواد التكنولوجية، والتي تتكون أيضا في كثير من الحالات من بلورات.

"هذا اكتشاف مهم لعالم الكيمياء وعلوم المواد. لقد تعلمنا درساً آخر في فهم عمليات تكوين البلورات، وهو موضوع تمت دراسته منذ عشرات ومئات السنين، وآمل أن يسلط بحثنا الضوء على مجالات مختلفة، من الجيولوجيا وعلم المعادن إلى تكنولوجيا النانو وهندسة الأجهزة". ويختتم ماركوفيتش.