"برغي أرخميدس" مصنوع بالكامل من الضوء

يتم التحكم في المسمار البصري من قبل الباحثين وينقل جزيئات النانومتر إلى الموقع المطلوب؛ وقد يساعد، من بين أمور أخرى، في اختبار العدوى في الهواء والماء ومجموعة متنوعة من الحلول الطبية والبيولوجية. ونشرت الدراسة هذا الشهر في مجلة OPTICA

"برغي أرخميدس" هو جهاز شفط تم اختراعه منذ 2300 عام، ولا يزال يستخدم حتى اليوم كأساس للعديد من التركيبات - من مراوح السفن والطائرات إلى المراوح وآلات بيع الوجبات الخفيفة. الآن قام باحثون من جامعة تل أبيب بإنشاء "برغي أرخميدس" بصري، مصنوع بالكامل من الضوء. مثل المسمار الأصلي، يقوم المسمار البصري أيضًا بنقل المادة من مكان إلى آخر، باستثناء أنه بدلاً من الماء أو الهواء أو الحلوى، فإنه ينقل الجسيمات بأبعاد نانومترية. وفي المستقبل، قد يساعد جهاز من هذا النوع في التعرف على الشوائب في الهواء والماء والمحاليل الطبية، لأغراض طبية وبيئية.

قائد البحث هو الدكتور ألون بابد من كلية الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة. وعمل إلى جانبه طلابه باراك حداد وسحر فرويم وطالب الدكتوراه يانيف إليعيزر، بالإضافة إلى د. يائيل رويخمان وهرئيل نجار وتمير أدمون من كلية الكيمياء. تم نشر المقال في يونيو 2018 في مجلة أوبتيكا.

"يعد "برغي أرخميدس" أحد الاختراعات التكنولوجية العظيمة في العصور القديمة. "لقد طورها المخترع الكبير أرخميدس في مدينة سيراكيوز في صقلية في القرن الثالث قبل الميلاد - من أجل سحب المياه من سفينة المتعة الخاصة بالملك هيرون الثاني،" يقول الدكتور بابد. "في مختبري، سعينا إلى إعادة إنتاج اختراع أرخميدس بمصطلحات القرن الحادي والعشرين: المسمار البصري الذي من شأنه أن يلتقط الجزيئات الصغيرة، ويسمح لنا بالتحكم في حركتها وإحضارها إلى المكان الذي نريده."

كانت الخطوة الأولى في البحث هي تطوير شعاع ضوئي على شكل لولبي. ولتحقيق هذه الغاية، أنشأ الباحثون اجتماعًا بين شعاعي ليزر من النوع المعروف باسم "الدوامة الضوئية" - وهو شعاع تتحرك فيه موجات الضوء للأمام، وفي الوقت نفسه تدور أيضًا حول مركز الشعاع. في منطقة اللقاء، تنشأ ظاهرة التشابك - عندما تتضخم الموجات الضوئية للشعاعين أو تضعف بل وتلغي بعضها البعض، مما يخلق مناطق مظلمة وخفيفة بالتناوب. في هذه الحالة، تشكل المناطق الساطعة الناتجة ملفًا من الضوء. وبهذه الطريقة، قام الباحثون ببناء عارضة لولبية تتكون من حلزونين (مشابهين لبنية الحمض النووي)، والتي يتم التحكم في خصائصها وطريقة حركتها بدقة كبيرة.

وفي الخطوة الثانية، أراد الباحثون استخدام المسمار البصري لالتقاط الجسيمات ونقلها. يقول الدكتور بابد: «المصائد الضوئية لأشعة الضوء التي تحبس الجسيمات موجودة في العلوم منذ عقود». "أحد أكبر التحديات في التقاط الجسيمات العائمة في الهواء أو السائل هو سحب الجسيمات نحو مصدر الضوء. وتكمن الصعوبة في أن جزيئات الضوء (فوتونات) مصدر الضوء تصطدم بالجسيم المقترب، فتدفعه وتدفعه بعيدًا. هذه الظاهرة تجعل الأمر صعبًا، على سبيل المثال، على العلماء الذين يرغبون في جلب الجسيمات إلى "تحت المصباح" في مرافق الاختبار المختلفة. لقد حل المسمار الخاص بنا المشكلة بطريقة مبتكرة: فهو يلتقط الجزيئات الموجودة في المناطق المظلمة من الشعاع، وينقلها إلى المكان المطلوب عن طريق تدوير المسمار."

تم اختبار هذه الطريقة في عمليات المحاكاة الحاسوبية، وكذلك في المختبر: حيث مرر الباحثون شعاعًا لولبيًا عبر حاوية زجاجية صغيرة، تتدفق بداخلها جزيئات غبار الكربون. عندما يلتقط الشعاع جسيمًا، يديرون المسمار، ويتمكنون من تحريك الجسيم في الاتجاه والمكان الذي يريدونه. يقول الدكتور باباد: "إنها مثل وجبة خفيفة موضوعة داخل أحد البراغي التي تدور في آلة الوجبات الخفيفة، وتتحرك نحو المخرج مع دوران المسمار".

يتمتع المسمار البصري المبتكر بعدد من المزايا البارزة والمهمة مقارنة بالطرق الأخرى التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة: "الشيء الرئيسي هو أن لدينا سيطرة كاملة على العملية"، يقول الدكتور بابد. "عمليتنا لا تعتمد تقريبًا على معلمات الجسيم نفسه، مثل حجمه وكتلته، بل تعتمد بشكل أساسي على حركة المسمار. يمكننا تحريك الجسيم في أي اتجاه، حتى إلى الخلف، كما يمكننا التحكم في سرعة الحركة - وهي في الواقع سرعة دوران المسمار. في المختبر، قمنا بنقل جسيمات النانومتر بطريقة محكومة على مسافة حوالي سنتيمتر لمدة دقيقة تقريبا - وهو الأمر الذي يعتبر إنجازا تكنولوجيا في حد ذاته، وعلى أية حال يمكن تكييف طريقتنا لنقل الجسيمات إلى مسافات أكبر بكثير . واليوم نبحث أيضًا عن كيفية زيادة السرعة، وتسريع حركة الجزيئات. أكثر من ذلك: بمساعدة المسمار، يمكن التقاط عدة جزيئات ونقلها في نفس الوقت، داخل "فتحات" مختلفة للبرغي. نحن مستمرون في تطوير التكنولوجيا، وأحد أهدافنا هو إنشاء "توربين" بصري يحرك العديد من الجسيمات في نفس الوقت بسرعة في الاتجاه المطلوب."

للمادة العلمية