تفتح المنصة أبوابًا واسعة لتطبيقات متعددة، ففي المجال الطبي، يمكن استخدامها لفهم كيفية تحرك الأدوية داخل الجسم وتفاعلاتها على مستوى الجسيمات الدقيقة.
في اكتشاف علمي يفتح آفاقًا جديدة لفهم القوى التي تحكم أصغر الأشياء في الكون، طور باحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد طريقة مبتكرة لدراسة ما يُعرف بـ"الغراء الخفي للطبيعة".
و باستخدام الذهب والماء المالح والضوء، تمكن الفريق من إنشاء منصة تتيح رؤية هذه القوى من خلال الألوان المتغيرة، مما يوفر نافذة مباشرة لدراسة التفاعلات بين الجسيمات على مستوى النانو.
رقائق الذهب وكشف القوى الخفية
في مختبر تشالمرز، تعرض الطالبة الباحثة ميكايلا هوشكوفا وعاءً زجاجيًا مليئًا بملايين رقائق الذهب الصغيرة، بحجم ميكرومتر واحد، مذابة في محلول ملحي، عند استخدام ماصة لوضع قطرة من المحلول على صفيحة زجاجية مطلية بالذهب تحت ميكروسكوب بصري، تجذب الرقائق فورًا إلى الركيزة، لكنها تترك فجوات صغيرة على مستوى النانومتر.
هذه الفجوات تعمل كمراكمات للضوء، فتنعكس الأشعة داخليًا وتظهر ألوانًا مختلفة، يمكن ملاحظتها على شاشة متصلة بالمعدات المختبرية، حيث تتغير الألوان بين الأحمر والأخضر على خلفية ذهبية.
توضح ميكايلا هوشكوفا: "ما نراه هو التفاعل المباشر للقوى الأساسية في الطبيعة. من خلال هذه الفجوات الدقيقة، يمكننا دراسة 'الغراء الخفي للطبيعة' دون أي تدخل، فقط بمراقبة حركة رقائق الذهب الطبيعية."
فهم التجميع الذاتي على المستوى النانوي
تعتمد المنصة على دراسة توازن دقيق بين قوتين: قوة كازيمير (Casimir effect) التي تجذب الرقائق إلى بعضها البعض وإلى الركيزة، والقوة الكهربائية الساكنة التي تنشأ في المحلول الملحي وتمنع الالتصاق الكامل للرقائق، عندما تتوازن هاتان القوتان، يحدث ما يعرف بـالتجميع الذاتي (Self-assembly)، ما يؤدي إلى تكوين فجوات يمكن استغلالها لدراسة القوى الأساسية للطبيعة على مستوى دقيق جدًا.
تشير هوشكوفا إلى أن فهم هذا التوازن قد يمكن العلماء في المستقبل من التحكم في التجميع الذاتي على المستوى النانوي، مع إمكانيات تطبيقية تمتد من فهم تشكل المجرات إلى تطوير مواد جديدة وذكية.
رقائق الذهب كمجسات عائمة
المنصة تمثل تتويجًا لسنوات من البحث ضمن مجموعة البروفيسور تيمور شيغاي في قسم الفيزياء، منذ اكتشاف قدرة زوج من رقائق الذهب على تكوين مرنان ذاتي التجميع، استطاع الفريق تطوير طريقة لدراسة القوى الأساسية، حيث تعمل رقائق الذهب كمجسات عائمة ترصد التفاعلات الدقيقة بين الجسيمات.
يقول تيمور شيغاي: "المنصة تمنحنا القدرة على دراسة شحنة الجسيمات والقوى بينها، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام طرق أخرى تتطلب أجهزة معقدة ولا توفر بيانات على مستوى الجسيم الفردي."
تطبيقات علمية وعملية واعدة
تفتح المنصة أبوابًا واسعة لتطبيقات متعددة. في المجال الطبي، يمكن استخدامها لفهم كيفية تحرك الأدوية داخل الجسم وتفاعلاتها على مستوى الجسيمات الدقيقة. في مجال التكنولوجيا الحيوية، يمكن تطوير مجسات حيوية وفلاتر مياه أكثر فعالية، بينما تساهم أيضًا في تحسين المنتجات اليومية مثل مستحضرات التجميل التي يجب ألا تتكتل.
تضيف هوشكوفا: "الطريقة نفسها بسيطة وجميلة، تعتمد على حركة رقائق الذهب وتفاعل الضوء مع المادة، مما يجعل المنصة أداة قوية للبحث العلمي."
كيف تعمل المنصة عمليًا
توضع رقائق الذهب بحجم حوالي 10 ميكرومتر في محلول ملحي يحتوي على أيونات حرة، عند وضع قطرة على ركائز ذهبية، تتشكل فجوات نانوية (100-200 نانومتر) تحبس الضوء بداخلها، ما يسمح بدراسة التفاعلات بين الجسيمات باستخدام ميكروسكوب بصري متصل بمطياف ضوئي "جهاز تحليل الضوء". من خلال تعديل ملوحة المحلول ومراقبة حركة الرقاقات، يمكن قياس القوى الأساسية بدقة فائقة.
و لحماية المحلول من التبخر، تُحكم القطرة وتغطى بصفيحة زجاجية ثانية.
تم تطوير المنصة في مختبر تصنيع النانو Myfab ومختبر تحليل المواد CMAL بجامعة تشالمرز.
وتم نشر الدراسة في مجلة PNAS تحت عنوان: "التجميع الذاتي لتأثير كازيمير: منصة لقياس التفاعلات السطحية النانوية في السوائل"، وأعدها فريق بحث من جامعة تشالمرز بالسويد وجامعة إلينوي بالولايات المتحدة. وقد جاء هذا البحث بدعم وتمويل من المجلس السويدي للبحوث، ومؤسسة نوت وأليس فالينبيرغ، ومركز Vinnova 2D-Tech، بالإضافة إلى منطقة النانو المتقدمة في جامعة تشالمرز.