اعوج

يقوم علماء معهد وايزمان بتطوير طرق لجعل الأنابيب النانوية تنظم نفسها في مصفوفات منظمة

هل يمكن لقطع من الورق مكتوب عليها كلمات، ومختلطة في صندوق، أن تلتصق ببعضها البعض وتشكل تلقائيًا جملًا كاملة ودقيقة؟ فرص حدوث ذلك ضئيلة. لكن في الطبيعة، تتشكل الهياكل المعقدة بشكل عفوي من مكونات بسيطة، بطريقة تعرف باسم "التنظيم الذاتي". وهذه الظاهرة معروفة في العديد من المجالات، بما في ذلك علم الكونيات والجيولوجيا وعلوم النبات وتطور الجنين.

ويحاول الدكتور إرنستو يوسلفيتز، من قسم أبحاث المواد والأسطح في معهد وايزمان للعلوم، إعادة إنتاج هذه الظاهرة في عالم الأنابيب النانوية. يقول الدكتور يوسليفيتز: "إن الأنابيب النانوية المصنوعة من الكربون عبارة عن أسلاك جزيئية ذات خصائص ميكانيكية وإلكترونية وبصرية وحرارية فريدة من نوعها".

"إن خصائصها الفريدة تجعلها مرشحة طبيعية لاستخدامها كمكونات لبناء الأجهزة الإلكترونية والميكانيكية المتقدمة. ولكن بسبب صغر حجمها (سمكها أقل بـ 100,000 ألف مرة من سمك شعرة الإنسان)، وبسبب ميلها إلى التجمع في كتل، يصعب على العلماء استخدامها. ومن أجل التغلب على هذه الصعوبة، يحاول الدكتور يوسففيتز وطالبا البحث آرييل إيشماخت ونعوم غبلينغاد تطوير طرق تجعل الأنابيب النانوية تنظم نفسها في مصفوفات منظمة. حتى الآن، تمكن العلماء من جعل الأنابيب النانوية تنظم نفسها في هياكل وحلقات غريبة تشبه الثعابين، تسمى "المنحنيات".

هذه هي الهياكل الأكثر تعقيدًا التي تم إنشاؤها حتى الآن من الأنابيب النانوية. نُشرت هذه النتائج مؤخرًا في مقال الغلاف في المجلة العلمية Nature Nanotechnology. يقول الدكتور يوسليفيتز إن الهياكل المستقيمة للأنابيب النانوية يمكن استخدامها لبناء دوائر نانوية إلكترونية، لكن الهياكل الأكثر تعقيدًا، مثل "المنحنيات"، يمكن استخدامها لبناء أجهزة أكثر تطورًا.

ومن أجل جعل الأنابيب النانوية تنظم نفسها في مثل هذه الهياكل المعقدة، استخدم العلماء قدرًا كبيرًا من الفوضى. ومن المثير للدهشة أن التقلبات العشوائية والاضطراب تسبب تنظيم هياكل منظمة ومعقدة في مناطق مختلفة من الطبيعة، لذلك قرر العلماء تجربة تفعيل الاضطراب في عالم الأنابيب النانوية أيضًا. في الخطوة الأولى، استخدموا تقنية قاموا بتطويرها في دراسة سابقة، حيث تمكنوا من جعل الأنابيب النانوية تنمو على بلورات ذات سطح غير مسطح، ولكن متداخلة بخطوات ذات حجم ذري. كانت الأنابيب النانوية "كسولة" في صعود السلالم، وببساطة زاد طولها. وبهذه الطريقة، تم تشكيل هياكل مستقيمة من الأنابيب النانوية المتوازية، على الرغم من عدم وجود تذبذبات أو اضطراب. لذلك، لا يمكن لهذه الطريقة أن تؤدي إلى تكوين هياكل معقدة مثل المنحنيات.

ومن أجل "تشجيع" الأنابيب النانوية على تنظيم نفسها في هياكل معقدة، قام العلماء بحقن الغاز فيها أثناء عملية النمو. لكن الاقتران بين الأنابيب النانوية وسطح البلورة كان قويًا للغاية، ولم يتمكن الغاز من التأثير على تنظيم الأنابيب النانوية. هنا، مرة أخرى، استخدم العلماء المعرفة التي حصلوا عليها في دراسة سابقة: بعض المواد، مثل الزجاج، تمنع الأنابيب النانوية من النمو على سطح البلورة، مما يؤدي إلى نموها لأعلى. عندما زرع العلماء "بذرة" أنبوب نانوي في جزيرة زجاجية موضوعة في بلورة غير مستوية، تم تهيئة ظروف النمو التي مكنت من تكوين هياكل معقدة. عندما يصل الأنبوب النانوي المتنامي إلى طول معين، ينهار بسرعة ويشكل التواءات، والتي تشكلت منها المنحنيات.

واكتشف العلماء أنه من الممكن التحكم في شكل المنحنيات الناتجة من خلال التغيرات في ظروف نموها. على سبيل المثال، يؤدي استخدام تيار غاز قوي إلى حدوث "منعطفات على شكل حرف U" أكبر، مما يؤدي إلى إنشاء منحنيات أوسع. يؤدي تغيير اتجاه تدفق الغاز إلى تكوين ملفات حلزونية بدلاً من المنحنيات. كل من هذه الهياكل، والهياكل الإضافية التي سيتم بناؤها في المستقبل، قد تكون مناسبة لتطبيقات مختلفة في مجالات تكنولوجيا النانو.

يقول الدكتور يوسليفيتس: "إن هندسة المنحنيات منتشرة على نطاق واسع في عالم الأشياء الكبيرة، في أنظمة مختلفة، مثل الهوائيات والمشعات ووحدات التدفئة والتبريد، وكذلك في المصابيح وأنظمة الري". "يمكن استخدام المنحنيات النانوية، من بين أشياء أخرى، لبناء المشتتات الحرارية للدوائر الإلكترونية، والأجهزة الكهربائية الضوئية، وخاصة كاشفات الأشعة تحت الحمراء الحساسة، وكذلك لبناء دينامو لإنتاج الطاقة المصنوعة من جزيء واحد. لكن بالنسبة لي، أهم ما يميزهم هو جمالهم."