طريقة جديدة لعرض الهياكل الذرية

طور باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) طريقة مبتكرة - باستخدام طبقة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة - لمراقبة التركيب الذري للجزيئات. ويمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة، التي تم استخدامها لإنتاج أول صورة مباشرة على الإطلاق لكيفية تغطية الماء للأسطح في درجة حرارة الغرفة، للحصول على صور لجزيئات أخرى، بما في ذلك الأجسام المضادة والجسيمات الحيوية المختلفة.

يظهر مقال يصف الطريقة والتجارب في طبقات المياه في المجلة العلمية المرموقة Science.

يقول الباحث جيمس هيث، أستاذ الكيمياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "تحتوي جميع الأسطح تقريبًا على طبقة من الماء، وهذه المياه مسؤولة عن خصائص التفاعلات مع البيئة القريبة منها". وعلى الرغم من شيوع الأسطح المغطاة بالمياه، إلا أن دراستها تمثل إشكالية كبيرة لأن قطرات الماء "في تدفق مستمر، ولا تستقر عند نقطة معينة لفترة كافية لقياسها"، كما يوضح الباحث.

وبمحض الصدفة، طور فريق الباحثين طريقة لشل حركة البغال المتحركة، في ظل ظروف درجة حرارة الغرفة. يقول الباحث: "لقد كانت عشوائية سعيدة، وكان لدينا ما يكفي من الحكمة لملاحظة أهميتها". "لقد درسنا الجرافين الذي تم وضعه على سطح مستو من الميكا (الميكا، معدن شفاف) واكتشفنا عددًا من الهياكل النانوية الشبيهة بالجزر المحاصرة بين طبقة الجرافين وطبقة الميكا التي لم نتوقع الحصول عليها."

الجرافين، الذي يتكون من طبقة أحادية الذرة من ذرات الكربون في بنية شبكية على شكل قرص العسل، يجب أن يكون مسطحًا تمامًا عند وضعه على سطح أملس. افترض الباحثون أن الهياكل غير العادية قد تكون عبارة عن ماء محصور تحت الجرافين؛ ضفادع الماء، بعد كل شيء، موجودة في كل مكان.
ومن أجل اختبار فرضيتهم، أجرى الباحثون تجارب إضافية قاموا فيها بحقن كميات مختلفة من الرطوبة في صفائح الجرافين. وأصبحت هذه الهياكل الغريبة أكثر شيوعا في الرطوبة العالية، واختفت تماما في الظروف الجافة، مما دفع الباحثين إلى استنتاج أنها كانت بالفعل قطرات ماء مختبئة تحت صفائح الجرافين.

في هذه المرحلة، أدرك الباحثون أن ورقة الجرافين هي نوع من "غلاف الضغط" الذي يربط جزيئات الماء بإحكام، حتى يمكن تمييز بنيتها الذرية الفردية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM).

يقول الباحث: "إن الطريقة بسيطة تمامًا، إنها حقًا معجزة أنها تعمل". ويوضح أن هذه الطريقة "تشبه الطريقة التي يتم من خلالها حقن ذرات الكربون أو الذهب في داخل الخلايا البيولوجية من أجل محاكاتها - حيث تقوم ذرات الكربون أو الذهب بتثبيت الخلايا. هنا، يقوم الجرافين بتغطية قطرات الماء الممتزة بشكل ضعيف على السطح بالكامل ويثبتها في مكانها، لمدة عدة أشهر على الأقل.

وباستخدام هذه الطريقة، اكتشف الباحثون تفاصيل جديدة حول كيفية تغطية المياه للأسطح. ووجدوا أن الطبقة الأولى من الماء بسبب الميكا تتكون في الواقع من طبقة سمكها جزأين من الماء، ولها بنية الجليد. وبمجرد أن تتشكل الطبقة بالكامل، تتشكل فوقها طبقة ثانية من الجليد مزدوج السُمك. ويوضح الباحث أنه فوق هذه الطبقة "يتم الحصول على قطرات". يوضح الباحث الرئيسي: "من المدهش تمامًا أن أول طبقتين ممتصتين من الماء تشكلان جزرًا مجهرية تشبه الجليد في درجة حرارة الغرفة". "ربما تكون هذه الهياكل الرائعة مهمة في تحديد الخصائص السطحية للمواد الصلبة، بشكل عام، على سبيل المثال - مستويات التشحيم والالتصاق والهضم."

ومنذ ذلك الحين، نجح الباحثون في اختبار جزيئات أخرى باستخدام أسطح ذرية مسطحة من مختلف الأنواع - وهذا التسطيح ضروري حتى لا تتعثر الجزيئات عند نقاط الخلل على السطح، مع فقدان البنية المقاسة من خلال طبقة الجرافين. ويضيف الباحث: "لم نواجه بعد نظاما لا تحدث فيه هذه الظاهرة". ويعمل الباحثون الآن على تحسين دقة الطريقة بحيث يمكن استخدامها لتصوير الهياكل الذرية للجسيمات الحيوية مثل الأجسام المضادة والبروتينات الأخرى. يضيف الباحث: "في الماضي، لاحظنا ذرات فردية من الجرافين باستخدام مجهر المسح النفقي (STM). "يجب أن تكون قدرة الفصل عند مستوى مماثل قابلة للتحقيق بالنسبة للرقائق المطلية بالجرافين أيضًا."

ويشير الباحث: "يمكننا طلاء الجرافين على الحيوانات البيولوجية - بما في ذلك الحيوانات الموجودة في بيئة مائية جزئيًا، حيث لا يتدخل وجود الماء - والحصول على بنيتها ثلاثية الأبعاد". وربما يكون من الممكن أيضًا تحديد بنية الأنظمة المعقدة، مثل اتحادات البروتين والبروتين، "والتي يصعب صياغتها للغاية"، كما يقول.

في حين أن المعلومات التي تم الحصول عليها من جسيم واحد تكشف عن بنيته العامة، فإن المعلومات من عشرة جسيمات سوف تكشف عن خصائص أكثر وضوحا - ويمكن لمجموعة محوسبة من العديد من الجسيمات المتطابقة أن تكشف عن كل ثقب وشق ذري.

الخبر من الجامعة