قام باحثون أوروبيون ببناء جهاز حديث وحساس قادر على وزن الذرات. يمكن لهذه المنشأة، في النهاية، أن تسمح للعلماء بفحص تقدم التفاعلات الكيميائية - دفعة تلو الأخرى
كيف يمكن اعتبار الذرة الواحدة؟ وقد قام باحثون أوروبيون ببناء جهاز حديث وحساس قادر على أداء هذه المهمة بالضبط. يمكن لهذه المنشأة، في النهاية، أن تسمح للعلماء بفحص تقدم التفاعلات الكيميائية - دفعة تلو الأخرى.
الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن ألياف كربونية رفيعة للغاية وتمثل حلم كل متخصص في تكنولوجيا النانو. وهي تتألف من صفائح رقيقة من الكربون أحادي الذرة - المعروف بالاسم العلمي الجرافين - ملفوفة في أنبوب صغير يبلغ قطره بضعة نانومترات فقط.
ازدهر الاهتمام العلمي بأنابيب الكربون النانوية وازدهر في تسعينيات القرن الماضي عندما تم اكتشاف أن لها خصائص مثيرة للإعجاب تجعل منها مادة خام رائعة لأنواع متنوعة من تقنيات النانو.
يوضح البروفيسور بيرتي هاكونن من جامعة هلسنكي للتكنولوجيا: "إنها تتمتع بخصائص فريدة". "إنها أصلب ألف مرة من الفولاذ، وهي موصلة جيدة جدًا للحرارة والكهرباء." والباحث هو منسق مشروع علمي هدفه الاستفادة من هذه المادة الرائعة لتطوير أجهزة حساسة بما يكفي لوزن الذرات والجسيمات.
إن أنبوب الكربون النانوي هو في الواقع وتر رفيع جدًا، ولكنه لا يزال شديد الصلابة، ومثل الأوتار الأخرى، فهو أيضًا قادر على الاهتزاز والتأرجح، على غرار أوتار الجيتار. وكما يعلم أي عازف جيتار، فإن الأوتار الأثقل تهتز بشكل أبطأ من الأوتار الأخف، لذلك إذا سمحنا لأنبوب نانوي معلق بالاهتزاز عند تردده المميز، فإن هذا التردد سينخفض إذا ارتبطت به ذرات أو جسيمات.
يبدو الأمر بسيطًا والفكرة ليست جديدة. لكن الجديد هو نظام الاستشعار الحساس المطلوب لكشف الاهتزازات وقياس التردد الدقيق. مع مرور الوقت، تم اكتشاف أن بعض الأنابيب النانوية قادرة على أن تكون شبه موصلة، اعتمادًا على الطريقة التي يتم بها لف صفائح الجرافين - وهذه الميزة بالتحديد هي التي سمحت للباحثين بالعثور على الحل الذي كانوا يبحثون عنه.
اتبع الباحثون نهج بناء أنبوب نانوي شبه موصل داخل الترانزستور (مكون إلكتروني صغير يستخدم لزيادة الجهد أو الطاقة أو التيار) بحيث يعدل الاهتزاز (ينظم إلكترونيًا) التيار الذي يمر عبره. يوضح الباحث: "الأنبوب النانوي المتذبذب هو، في تلك اللحظة، العنصر المهتز وهو في الواقع مدخل الترانزستور".
ويضيف: "كانت فكرتنا هي تفعيل ثلاث مستويات استشعار في نفس الوقت ومن ثم اختيار الأفضل بينها". "في الوقت الحالي انخفض عددنا إلى اثنين فقط. إذن لدينا فكرة حركة الإلكترون، وهي أكثر حساسية، وفكرة الترانزستور الذي يتأثر بالاهتزاز، وهو أسرع.
وفي نوفمبر من العام السابق، أفاد باحثون من برشلونة، وهم شركاء في هذا المشروع، أنهم تمكنوا من وزن كتلة ذرات الكروم الفردية المرتبطة بالأنابيب النانوية. ومع ذلك، يدعي الباحث الرئيسي أنه يمكن اليوم أخذ ذرات أصغر، مثل الأرجون، في الاعتبار، على الرغم من أن الجهاز ليس مستقرًا بدرجة كافية للحصول على مثل هذه الحساسية العالية بشكل روتيني.
"عندما يعمل الجهاز بشكل صحيح، نكون قادرين على تمييز ذرة أرجون واحدة على نطاق زمني قصير. ومع ذلك، إذا واصلت القياس لفترة أطول من الوقت، فإن ضجيج الخلفية يصبح أكثر فأكثر أهمية ويحجب النتيجة."
هذا المشروع ليس الوحيد الذي يستخدم أنابيب الكربون النانوية كأجهزة استشعار للكتلة. ويتم إجراء أبحاث مماثلة أيضًا في مركزين بحثيين في كاليفورنيا - جامعة بيركلي ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا - على الرغم من أن كل منهما قد تبنى نهجًا مختلفًا للاستشعار الشامل.
وأعلنت الفرق الثلاثة أنها تمكنت من قياس الكتلة على المستوى الذري باستخدام أنابيب الكربون النانوية، لكن الباحثين في المشروع المذكور قدموا المعلومات الأكثر إقناعا التي قدمت تحولا واضحا في تردد الرنين.
ومع ذلك، فإن الذرة الواحدة ليست حتى قريبة من الحد الممكن - الباحث الرئيسي مقتنع بأنهم قادرون على تطوير التكنولوجيا بحيث يمكن وزن كتلة نيوكليون واحد - بروتون أو نيوترون - بها.
ويعترف قائلاً: "هذا بالفعل فرق كبير، ولكن في معظم الأحيان، يتم تلقي التحسينات في مثل هذه الأجهزة على قدم وساق. وهذا ليس مثل تطوير معيار معروف جدًا حيث لا يوجد سوى تحسينات صغيرة من مرحلة إلى أخرى. وهذا حقًا عمل في طليعة المجال، وتحدث اختراقات - من وقت لآخر."
إذا كان من الممكن بالفعل تحسين الحساسية وصولاً إلى نواة واحدة، فسيكون الباحثون قادرين على السعي إلى الأمام من أجل وزن دقيق لأنواع مختلفة من الذرات والجسيمات في الوقت الحقيقي. أو قد يكون من الممكن مراقبة التحلل الإشعاعي لنواة واحدة ودراسة أنواع أخرى من الظواهر في ميكانيكا الكم.
ومع ذلك، فإن الإثارة الحقيقية ستأتي عندما يصبح من الممكن مراقبة التفاعلات الكيميائية والبيولوجية التي تتضمن تفاعل الذرات والجزيئات الفردية هناك، فوق الأنبوب النانوي المهتز. مثل هذا الاحتمال يمكن أن يؤدي إلى العديد من التطبيقات المهمة في البيولوجيا الجزيئية، وسيسمح للعلماء بفحص العمليات الأساسية للحياة بتفاصيل غير مسبوقة. ويقدر الباحث أن هذه التطبيقات العملية يمكن قبولها خلال عشر سنوات.
"سيعتمد هذا إلى حد كبير على درجة تطور تحضير أنابيب الكربون النانوية نفسها. لا أستطيع التنبؤ بما سيحدث بالضبط، لكنني أعتقد أن التفاعلات الكيميائية في الأنظمة المختلفة، مثل البروتينات وما شابه، ستكون التطبيقات الرئيسية في المستقبل.
תגובה אחת
يبدو جميل