طور علماء من معهد جورجيا للتكنولوجيا طريقة للطباعة الحجرية النانوية قادرة على إنتاج مصفوفات من ثلاث مواد كيميائية مختلفة، بمستوى عالٍ من الانفصال، داخل شريحة واحدة
طوّر علماء من معهد جورجيا للتكنولوجيا طريقة للطباعة الحجرية النانوية قادرة على إنتاج مصفوفات من ثلاث مواد كيميائية مختلفة، بمستوى عالٍ من الانفصال، داخل شريحة واحدة، وبسرعة حقن تصل إلى ملليمتر واحد في الثانية. ويمكن بعد ذلك تشكيل المصفوفات النانوية الكيميائية حسب الرغبة في أي شكل وبنية وتكون مستقرة بما يكفي لتخزينها لأسابيع واستخدامها لاحقًا في مكان آخر.
تم وصف الطريقة، المعروفة باسم "الطباعة الحجرية النانوية الكيميائية الحرارية"، بشكل كامل في المجلة العلمية Advanced Functional Materials. يمكن أن يكون للبحث تطبيقات محتملة في العديد من المجالات العلمية بدءًا من الإلكترونيات إلى الطب.
"تكمن قوة هذه الطريقة في قدرتها على تضمين قوالب كيميائية رخيصة الثمن ومدمجة وذات قدرة فصل عالية على العينات، والتي يمكن نقلها إلى أي مختبر حول العالم، ومن ثم غمر العينات في أي محلول مرغوب لتحضير الهياكل النانوية مع البروتينات والحمض النووي. وقالت الباحثة إليسا ريدو، الأستاذة في كلية الفيزياء بمعهد جورجيا للتكنولوجيا: "أو الجسيمات النانوية".
من الناحية النظرية، فإن الطريقة مدهشة في بساطتها. باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM)، يقوم الباحثون بتسخين طرف السيليكون وتحريكه فوق طبقة بوليمر رقيقة. تؤدي الحرارة المنبعثة من الطرف إلى تفاعل كيميائي محلي على السطح الرقيق. يغير هذا التفاعل الطبيعة الكيميائية للسطح ويحوله من سطح خامل إلى سطح نشط، وهو سطح قادر على ربط هذه الانفصالات الكيميائية بشكل انتقائي. قام فريق البحث بتطوير الطريقة لأول مرة في عام 2007. والآن، أضافوا العديد من التحسينات الجديدة إليها والتي يمكن أن تجعل الطريقة أداة مفيدة للغاية للعلماء الذين يعملون على مستوى النانومتر.
يقول أحد شركاء البحث: "لقد أنشأنا طريقة لطباعة أنماط مستقلة من عدة مواد كيميائية مختلفة على شريحة يمكن تشكيلها بأي شكل نريده".
تعد القدرة على صنع عناصر عالية الدقة من مواد كيميائية مختلفة بأشكال متنوعة أمرًا مهمًا نظرًا لأن بعض طرق الطباعة الحجرية النانوية تقتصر على نوع واحد فقط من الكيمياء، أو دقة منخفضة، أو هياكل محددة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل عمل الطريقة الجديدة، وهو ملليمتر واحد في الثانية، أعلى بعدة مرات من طرق الطباعة الحجرية الحالية حيث يبلغ المعدل حوالي 0.0001 ملليمتر في الثانية لكل طرف "كتابة".
أصبح هذا البحث ممكنًا بفضل أطراف كاشف AFM الساخنة القادرة على إنتاج نقاط ساخنة بقطر صغير يبلغ بضعة نانومترات. يقول الباحث الرئيسي: "يسمح الطرف الساخن للعلماء بتوجيه التفاعلات الكيميائية على مستوى النانومتر".
باستخدام الطريقة الجديدة، يمكن الحصول على أنماط كيميائية متعددة على نفس الشريحة باستخدام طرف AFM لتسخين طبقة البوليمر وتغيير مستوى نشاطها. في الخطوة التالية، يتم غمس الشريحة في محلول يسمح للمواد الكيميائية (مثل البروتينات أو المواد الكيميائية الرابطة الأخرى) الموجودة بداخلها بالارتباط بالرقاقة عند تلك النقاط المسخنة مسبقًا. يقوم طرف AFM بعد ذلك بتسخين نقاط إضافية ويمكن ربط مواد كيميائية أخرى بها مرة أخرى.
وأوضح العلماء في ورقتهم البحثية كيف يمكن ربط الأمينات والثيول والألدهيدات والبيوتين باستخدام هذه الطريقة. في الأساس، يمكن استخدام هذه الطريقة لربط أي مادة كيميائية. يوضح العلماء أيضًا في بحثهم كيفية استخدام الأنماط الكيميائية لتنظيم المواد الوظيفية على السطح، مواد مثل البروتينات وتسلسلات الحمض النووي.
"الميزة الكبيرة لهذه الطريقة تكمن في حقيقة أنها تعمل مع أي مادة كيميائية تقريبًا أو جسيمات نانوية نشطة كيميائيًا. فهو يسمح للعلماء بالربط بسرعة كبيرة بين المكونات المختلفة والمتنوعة التي يمكن، بعد ذلك، تحويلها إلى هياكل أكثر تعقيدًا ومختلفة، والتي بدورها يمكن ربطها بشكل انتقائي بعناصر أخرى (الأقطاب الكهربائية، وأجهزة الاستشعار، وما إلى ذلك). لذلك لا يهم إذا كنت مهتمًا بالبيولوجيا أو الإلكترونيات أو الطب أو الكيمياء، فالطريقة تسمح لك بتكوين أي نمط كيميائي مرغوب"، كما يقول أحد الباحثين. بالإضافة إلى ذلك، فإن استقرار الطريقة يسمح باستخدامها حتى في أيدي العلماء الذين ليسوا خبراء على وجه التحديد في مجال الطباعة الحجرية النانوية الدقيقة.
"منذ لحظة ختم النموذج، يصبح مستقرًا وغير نشط. لقد أظهرنا أنه يمكن حفظه لأكثر من شهر، ثم غمسه في المحلول ويظل نشطًا مرة أخرى، في اللحظة التي نريدها"، يوضح الباحث الرئيسي.
