الآلات الجزيئية شائعة جدًا في الطبيعة، على سبيل المثال - تقوم بنقل البروتينات التي تدخل وتخرج من الخلايا والبروتينات التي تساعد في عملية التمثيل الغذائي. من أجل تطوير آلات جزيئية صناعية، يجب على العلماء أن يفهموا بشكل صحيح المبادئ التي تحكم قوانين الحركة الموجودة في هذا العالم الجزيئي/النانومتري.
ومن أجل مواجهة هذا التحدي، قام فريق بحثي من جامعة كاليفورنيا (ريفيرسايد) باختبار عائلة من الآلات الجزيئية التي "تسير" على سطح معدني أملس. لقد اختبروا كلاً من الآلات ذات الرجلين والأربعة أرجل.
وقال لودفيج بارتلز، أستاذ الكيمياء: "لقد أنشأنا هيكلًا يشبه الحصان بأربعة أرجل من أجل دراسة كيفية قدرة الآلات الجزيئية على التعامل مع حركة أجزاء متعددة". "منذ عدة سنوات، اكتشفنا كيف يمكن تحريك جزيئات ثاني أكسيد الكربون على طول السطح في خط مستقيم باستخدام آلة جزيئية ذات ساقين تتحرك واحدة تلو الأخرى. في بحثنا الجديد، أردنا أن نصنع هيكلًا قادرًا على حمل المزيد من الحمولة - أي هيكل يتطلب المزيد من الأرجل. ولكن إذا كان الهيكل يحتوي على أكثر من قدمين، فكيف سينظم حركتهم؟"
واكتشف الباحثون أن المركبات ذات الأرجل الأربعة تستخدم شكل المشي بخطوات واسعة - حيث تتحرك الساقان من نفس الجانب من الفرس معًا، ثم تتحرك الساقان من الجانب الآخر من الفرس. تتحرك الهياكل التي طوروها بشكل صحيح في خط مستقيم، ولا تنحرف إلى الجانب أو تخرج عن المسار. كما أجرى الباحثون محاكاة للهياكل التي تتحرك على شكل النقر، حيث تتحرك الساقين المتقابلتين قطريًا معًا، ووجدوا أن هذا الشكل من الحركة يمثل مشكلة كبيرة بحيث لا يمكن أن يكون مستقرًا.
وبعد أن فهم الباحثون كيف تتحرك الجسيمات، تحولوا إلى سؤال أساسي آخر يتعلق بالآلات الجزيئية: هل تمر الجسيمات -أو جزء منها- ببساطة عبر حواجز تنشأ من خشونة السطح الذي تتحرك عليه؟
وقال الباحث: "إذا كان الأمر كذلك بالفعل، فسيكون ذلك انحرافًا جوهريًا عن قوانين الحركة في العالم المجهري، وهذا سيؤدي إلى تسارع كبير في الحركة". "سيكون الأمر مثل القيادة على طريق وعر عندما تمر عجلات سيارتك عبر المطبات بدلاً من تجاوزها. ومن المعروف أن الآلات ذات الأربع أرجل تمكن مثل هذا السلوك مع الجسيمات الخفيفة جدًا مثل الإلكترونات وذرات الهيدروجين، ولكن السؤال الذي يطرح نفسه، هل سيتحقق هذا أيضًا في الجزيئات الكبيرة؟
وقام الباحثون بتنويع درجة الحرارة في تجاربهم لتزويد الآلات الجزيئية بكميات متفاوتة من الطاقة واختبروا كيفية تغير سرعة الآلات اعتمادا على ذلك. واكتشفوا أن الآلة ذات الرجلين قادرة على الاستفادة من ظاهرة "حفر الأنفاق" للمرور بسرعة عبر المطبات السطحية. ومع ذلك، فإن الآلة ذات الأربع أرجل (أو أكثر) غير قادرة على الاستفادة من طريقة حفر الأنفاق؛ واكتشف الباحثون أنه على الرغم من أن مثل هذه الآلة قادرة بالفعل على تنظيم حركة أرجلها على شكل خطوة، إلا أنها غير قادرة على التحرك باستخدام طريقة النفق. أي أنه إذا كنت مهتمًا بنقل البضائع، حتى على أصغر نطاق، فأنت بحاجة إلى هيكل خفيف الوزن وذو قدمين،" يشير الباحث. "يمكن للهياكل المتحركة الأكبر حجمًا أن تحمل المزيد من البضائع، ولكن بما أنها غير قادرة على الاستفادة بشكل فعال من ظاهرة حفر الأنفاق، فإن النتيجة ستكون حركتها البطيئة. هل من المفترض أن تخفف هذه النتيجة أيدي الباحثين؟ ليس حقًا، لأن مجال الآلات الجزيئية لا يزال في بداياته. وفي واقع الأمر، هناك أيضًا ميزة في الحركة البطيئة للأفراس، لأنه في هذه الحالة من الممكن لنا أن نلاحظ الحركة نفسها بشكل أكثر دقة ونتعلم من الأفراد كيفية التحكم فيها.
ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Journal of the American Chemical Society.
وفي الخطوة التالية، يخطط الباحثون لتطوير آلات جزيئية يتم التحكم في حركتها عن طريق الضوء. تجري اليوم أبحاث محمومة في مجال الآلات الجزيئية بسبب وظيفتها البيولوجية وأهميتها الطبية والعلاجية. على سبيل المثال، يتم علاج الأشخاص الذين يعانون من حرقة المعدة بأدوية مثبطة لمضخة الهيدروجين، مما يؤدي إلى إبطاء عمل الضخ للآلات الجزيئية البيولوجية وبالتالي تقليل مستويات الحموضة في المعدة.
وقال الباحث الرئيسي: "بشكل عام، فإن الصورة التي لدى العلماء لمثل هذه الآلات الجزيئية البيولوجية تتجاهل تماما إمكانية حفر الأنفاق". "إن بحثنا يصحح هذا التصور، مما قد يؤدي إلى طرق جديدة للتحكم أو تصحيح سلوك الآلات الجزيئية البيولوجية."
تعد الآلات الجزيئية الاصطناعية مهمة لصناعة الإلكترونيات الدقيقة نظرًا لسعيها إلى الحصول على مكونات نشطة أصغر حجمًا لأجهزة الكمبيوتر وتخزين المعلومات. ومن حيث المبدأ، ستكون الآلات الجزيئية الاصطناعية أيضًا قادرة على العمل داخل الخلايا كبديل لمعادلاتها البيولوجية، وستؤدي إلى تحسين الطب بشكل كبير.
استخدم العلماء مجموعة متنوعة من المركبات في أبحاثهم: كمكونات ذات قدمين - أنثراكينون وبينتاكوينون؛ كمكونات رباعية الأرجل - pentacenetetrone و pentacenetetrone وبطرق طيفية متقدمة.
