دوار صغير للاستخدام في ميكانيكا النانو

يقدم الباحث أناتولي كولوميسكي، أستاذ الكيمياء بجامعة رايس، لمحة عن العالم الجزيئي حيث تنخفض الذرات وتهبط وترتفع وفق مجموعة من القوانين التي لا تزال تنتظر فك شفرتها

يقدم الباحث أناتولي كولوميسكي، أستاذ الكيمياء في جامعة رايس، لمحة عن العالم الجزيئي حيث تنخفض الذرات وتغوص وترتفع وفق مجموعة من القوانين التي لا تزال تنتظر فك شفرتها.

حقق فريق البحث تقدمًا جديًا نحو تحديد سلوك هذه "المغازل" الجزيئية في مقال جديد نُشر في المجلة العلمية Journal of Physical Chemistry C. واستنادًا إلى محاكاة الديناميكيات الجزيئية، تمكن الباحثون من توصيف القوانين الكامنة وراء الحركة الدورانية. من الجزيئات التي تتحرك حول سطح الذهب. وتأتي هذه الدراسة في أعقاب دراسات أخرى أجريت في نفس الجامعة في مجال "مركبات النانو". وفي بحثهم، تمكن الفريق من فك رموز العديد من الخصائص الرئيسية في سلوك هذه الدوارات الصغيرة، وهي اكتشافات يمكن أن تساعد في فهم الطرق التي تعمل بها الآلات الجزيئية في جسم الإنسان.

ويوضح الباحث الرئيسي أن الحركة التي يصفونها موجودة في كل مكان في الطبيعة. المثال الأكثر وضوحا للعين هو قضيب البكتيريا، الذي يستخدم حركة دوارة بسيطة لحركته. "عندما يدور القضيب في اتجاه عقارب الساعة، تتحرك البكتيريا للأمام. وعندما تدور عكس اتجاه عقارب الساعة فإنها تسقط." وعلى مستوى أصغر، يُظهر ATP-synthase، وهو إنزيم مهم في نقل الطاقة إلى خلايا الأنظمة الحية، حركة دورانية مماثلة.

إن فهم القدرة على بناء الدوارات الجزيئية والتحكم فيها سيمكن من تطوير العديد من المواد الجديدة والمثيرة للاهتمام التي يمكن استخدامها في مجال الآلات النانوية. ويتصور الباحثون تطوير مرشحات راديوية تسمح بمرور إشارات ضيقة للغاية، اعتمادًا على تردد المحركات النانوية. ويشير الباحث إلى أن "تطوير مثل هذه المادة سيكون مهما للغاية، على الرغم من تكلفتها العالية". "ومع ذلك، إذا تمكنت من بناء مئات من الدوارات التي ستتحرك في وقت واحد بإشارة مني، سأكون سعيدًا جدًا."

يتضمن جزيء النموذج الأساسي ذرة كبريت في المركز، والتي يرتبط بها زوج من سلاسل الألكيل، مثل الأجنحة، والتي تكون قادرة على الدوران بحرية عند تسخينها. تقوم ذرة الكبريت بتثبيت الجزيء على سطح الذهب.

أثناء العمل على الأبحاث السابقة، تصور العلماء أدلة فوتوغرافية على الحركة الدورانية لجزيئات الكبريت/الألكيل التي يتم تسخينها بواسطة سطح ذهبي باستخدام صور المجهر النفقي. ومع زيادة معدل التسخين، تغيرت الصورة من الخط إلى المستطيل ثم إلى الشكل السداسي، وهي التغييرات التي تميز الحركة. ولم تتمكن الصورة من تفسير سبب حدوث هذه العملية له.

من خلال فحص المحاكاة الحاسوبية لمجموعة متنوعة من التكوينات النظرية - بعضها بسلاسل متماثلة وغير متماثلة وبعضها بسلسلة واحدة فقط - تمكن الباحثون من وصف مجموعة من الخصائص المتشابكة التي تحكم سلوك الدوارات ذات الجزيء الواحد.

أولاً، يوضح الباحث أن تناسق وبنية سطح الذهب لهما تأثير كبير على قدرة الدوار على التغلب على حاجز الطاقة الذي يمنعه من الدوران المستمر. عندما يكون كلا الذراعين قريبين من جزيئات السطح، يكون الحاجز كبيرًا. ومع ذلك، عندما يكون أحد الأذرع فوق فجوة بين ذرات الذهب، يكون الحاجز أصغر بكثير.

ثانيًا، تدور الدوارات المتماثلة بشكل أسرع من الدوارات غير المتماثلة. كلما طالت السلسلة بين ذراعين غير متماثلين، زادت الطاقة المطلوبة للتحرك، وهذه الخاصية تسبب عدم التوازن. في الدوارات المتماثلة، تعوض السلاسل، مثل الأجنحة الصلبة، بعضها البعض عندما تغوص في الفجوة، بينما ترتفع السلاسل الأخرى فوق جزيئات السطح. السمة الثالثة، يشير الباحث، هي نوع الرابطة الكيميائية بين الذرة المثبتة على السطح والسلاسل، وهي الخاصية التي تحدد درجة حرية الدوار في الدوران. وأخيرًا، يعد النوع الكيميائي للمجموعات الدوارة عاملاً مهمًا أيضًا. ويشير العالم إلى أن البحث يفتح نافذة لمحاكاة الجزيئات الدوارة الأكثر تعقيدًا.

أخبار الدراسة