بحجم النانو.. طريقة جديدة تسرع الخطى نحو "الروبوتات المجهرية"
ويستخدم مصطلح "الإستنسل" في الحياة اليومية عند رسم غرافيتي بوضع قالب مُفرغ بشكل معين والرش فوقه، كما يستخدمه الأطفال لرسم الأشكال بجودة عالية عبر استخدام أوراق مفرغة والتلوين فوقها لتطبع الشكل الذي يرغبون فيه. هذا يشبه ما استخدمه الباحثون ولكن على المستوى المجهري تحت اسم "الميكروستنسل".
تشرح كندرا كراينبرينك، الباحثة في برنامج علوم وهندسة المواد، جامعة كولورادو بولدر الأميركية، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "التقنية الجديدة التي عرضناها في دراستنا تتيح صناعة (الأجسام النشطة) البُقعية بأي شكل نريده، وبدقة غير مسبوقة، وذلك باستخدام أسلوب الطباعة المجهرية عبر فوتونين مع أقنعة إستنسل دقيقة".
روبوتات أم ماذا؟
وبحسب الدراسة ، التي نشرها الفريق في دورية "نيتشر كومينيكيشنز"، فالجسيمات النشطة هي جسيمات صغيرة جدا، غالبا مجهرية أو نانوية، يمكنها التحرك ذاتيا باستخدام طاقة تتحصل عليها من البيئة المحيطة بها، مثل الضوء أو الحرارة أو مواد كيميائية أو غيرها. بعكس الجسيمات العادية التي تتحرك فقط إذا دُفعت من الخارج، فهذه الجسيمات "نشطة" لأنها تولّد الحركة بذاتها مستغلة بيئتها.
تقول كندرا: "تتطلب الجسيمات النشطة وجود نوع من اللاتناظر كي تتحرك على المستوى الميكروسكوبي. ونُحدث هذا اللاتناظر في الشكل العام للجسيم أو عبر مناطق مختلفة في سطحه، عبر ما نسميه بالبقع".
تخيّل قطرة صغيرة من الزيت في كوب ماء، هذه القطرة ستبقى ساكنة ما لم تحرّكها أنت. والآن تخيّل أن هذه القطرة مزودة بمحرك صغير في أحد طرفيها يجعلها تسبح من تلقاء نفسها، أو مكعب صغير طُبع عليه بقعة مغناطيسية، فيمكن توجيهه بمغناطيسات خارجية فيتحرك في أي اتجاه تريده عبر المغناطيس، ما يفعله المغناطيس هو دور البقع في حالة هذه الجسيمات الدقيقة.
إن اعتماد الجسيمات النشطة على اللاتناظر في شكلها وتركيبها السطحي يمكّنها من الحركة بفعالية، وقد استخدم العلماء أشكالا مختلفة للجسيمات لعقود كما أضافوا بقعًا معدنية، إلا أن تقنيات تصنيع هذه البقع الدقيقة كانت محدودة في دقتها ومرونتها.
منهج موحد لأنظمة متنوعة
استخدم الفريق طابعة ضوئية فائقة الدقة تُسمى طابعة ثنائية الفوتون. هذه الطابعة ترسم جسيمات مجهرية صغيرة جدا على شكل كرة أو قرص أو حرف "ل" على سطح شفاف، حيث تطبع فوق كل جسيم قالبا أو قناعا صغيرا جدا والمسمى "إستنسل" مُفرغا بثقب صغير على شكل البقعة المطلوبة للطباعة. ثم يُرَشّ المعدن على السطح، فلا يصل إلى الجسيم إلا ما يمر عبر فتحة القالب أو الإستنسل.
تقول كندرا: "الميزة الكبرى هي أنك تستطيع استخدام مجموعة متنوعة من المواد، سواء في الجسيم نفسه أو في البقعة بتغيير نوع المعدن أو المادة المستخدمة في التبخير الفيزيائي".
أظهرت الدراسة قدرة هذه التقنية على التحكم في حركة الجسيمات بـ3 أنظمة مختلفة هي الحقول الكهربائية، والتفاعلات الكيميائية، والمجالات المغناطيسية، ما يجعلها أداة موحدة لابتكار جسيمات نشطة تناسب عدة تطبيقات.
تضيف كندرا: "قبل هذه التقنية، لم نمتلك القدرة على دراسة كل أشكال البقع الممكنة، لذلك لم نكن نعلم أنواع الحركات التي يمكننا تحقيقها. الآن، وبفضل هذه التقنية، نستطيع دراسة تأثير كل نوع من البقع بشكل منهجي، وقد نكتشف قيودا جديدة مثل اتجاه الحقول الكهربائية أو خصائص البيئة التي قد تمنع بعض الحركات أو تُفضل غيرها".
أحد الاكتشافات اللافتة في الدراسة هو أن شكل البقعة المعدنية يمكن أن يُغير تماما حركة الجسيم، فقد صنعت كندرا وزملاؤها جسيمات لها بقع على شكل "دمعة" أو "مروحة"، ووجدوا أن كل شكل يؤدي إلى نمط حركة لولبي مختلف عند تعريض الجسيم لحقل كهربائي متردد.
وتوضح كندرا أهمية هذا قائلة: "أعتقد أن الخطوة الأولى هي أن نفهم كيف يؤثر شكل البقعة على حركة الجسيم ككل. لطالما كانت لدينا دراسات نظرية، لكن الآن أصبح بإمكاننا إجراء دراسات تجريبية دقيقة. وبعد الفهم الكامل، يمكننا تصميم جسيمات تتحرك بطرق تناسب البيئات المعقدة داخل الجسم، كأن تخترق الأنسجة أو المخاط أو تصل لأماكن يصعب إيصال الأدوية إليها حاليا".
روبوتات مجهرية ذاتية التنظيم
في خطوة أخرى، عرضت الدراسة تصميم جسيمات مغناطيسية على شكل حرف "L" مزودة ببقعة معدنية محددة على جانب واحد. عند تعرض هذه الجسيمات لمجال مغناطيسي موحد، تتجمع لتشكيل أزواج، مما يتيح لها أداء وظائف ميكانيكية دقيقة.
تظهر هذه الجسيمات سلوكا يعرف بـ"الروبوتات المجهرية ذاتية التحديد"، حيث تتجمع وتفصل تلقائيًا بناء على تصميمها المغناطيسي. هذه القدرة على التجميع الذاتي والتحكم في الحركة تجعلها واعدة في تطبيقات مثل توصيل الأدوية داخل الجسم، حيث يمكنها التنقل في الأنسجة بدقة عالية.
وتعلّق كندرا: "الميزة في هذا التصميم هي أنه يمنحنا سيطرة أكبر على عدد الروبوتات المجهرية الناتجة. ومن دون خاصية التحديد الذاتي، قد تتجمع الجسيمات بشكل عشوائي وغير محدود، مما يعيق التحكم في أدائها. أما مع التجمع الثنائي فقط، فلدينا نمط واضح يمكن توجيهه للحركة أو للالتقاط أو لأغراض أخرى".
إن القدرة على تجميع عدد محدد من الجسيمات النشطة في شكل معين قد يتيح ابتكار وظائف لما نتخيل إمكانية فعلها على المستوى المجهري، كالإحاطة بشيء ما، أو الإمساك بجسم معين كأنك تمسكه بقبضتك أو تصطاده ولكن على المستوى المجهري.
لكن التوسع من أزواج بسيطة إلى مجموعات أكثر تعقيدا ليس بالأمر السهل، حسب كندرا، إذ تقول: "التحدي الأكبر حاليا هو أنه لا توجد طريقة فعالة لتوجيه الجسيمات لتتجمع في ترتيب معين. فكلما أضفنا جسيمًا جديدًا، زادت فرص التجمعات العشوائية، وقلّت نسبة التجمعات التي نريدها فعلا. وإذا تمكنا من التحكم في ترتيب الجسيمات داخل التجمع، حينها يمكننا بناء روبوتات مجهرية تؤدي وظائف أكثر تعقيدا".
الهدف من عمل تجمعات للأجسام النشطة التي تمت الإشارة إليها في الدراسة، هو تحقيق تفاعلات معينة أو أداء مهام معقدة بشكل أكثر دقة وكفاءة. وفي حالة الجسيمات المغناطيسية ذات الشكل "L" ، تتجمع هذه الأجسام لتشكيل أزواج أو مجموعات يمكنها تنفيذ وظائف مثل التوجيه والتحكم الذاتي (التحرك والتفاعل بشكل منظم مما يجعلها مثالية للروبوتات المجهرية القادرة على التنقل داخل الجسم أو بيئات معقدة، مثل توصيل الأدوية إلى أماكن معينة في الجسم أو استهداف خلايا مريضة، وهي مهام تتطلب تحكما دقيقا وتحفيزا معينا.
كما أن التجمعات يمكن أن تُحسّن من قدرة الأجسام على التفاعل مع محيطها، مثل التواصل مع خلايا معينة أو استجابة لعوامل بيئية مثل درجة الحرارة أو الحقول الكهربائية.
هذا التقدم لا يُشكل فقط طفرة تقنية، بل يخلق جسرًا جديدًا بين العلم الأساسي على المستوى المجهري والتطبيقات الواقعية، من روبوتات تسبح في الجسم لعلاج الأمراض، إلى نظم دقيقة لتنظيف المياه أو بناء المواد، كأننا نصنع آلافا من "الرجل النملة" الخارقين لخدمتنا.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ 2 أيام
- الجزيرة
القنابل الضوئية.. تكتيك حربي للإرباك والتمويه الليلي
القنابل الضوئية، أو قنابل الإنارة، وسيلة دفاعية تستخدمها الجيوش لإضاءة المناطق المظلمة أثناء العمليات العسكرية، وذلك للاستطلاع ومساعدة القوات على رؤية الأهداف وتحديدها بشكل واضح، إذ تولد هذه القنابل وميضا عاليا مما جعلها جزءا أساسيا لا غنى عنه أثناء الحروب والعمليات العسكرية الخاطفة. وقد استخدمها جيش الاحتلال الإسرائيلي في جميع عملياته العسكرية في الأراضي الفلسطينية ، لا سيما أثناء حرب الإبادة الجماعية على قطاع غزة التي انطلقت في أكتوبر/تشرين الأول 2023، كما استخدمها في عملياته في جنوب لبنان و سوريا. النشأة والتطوير ظهرت فكرة القنابل المضيئة في القرن الـ13، حين بدأت الصين في استخدامها أثناء عملياتها العسكرية، وقد طورها جناح "مكافحة الإرهاب" التابع للقوات الجوية الخاصة بالجيش البريطاني في أواخر سبعينيات القرن الـ20. استعملتها القوات البريطانية على نطاق واسع أثناء الحرب العالمية الثانية (1938-1945)، وأسقطتها بالطائرات الحربية، في حين أنتجت الولايات المتحدة قنبلة "إم 46 فوتو فلاش" المضيئة وطورتها لتنفذ مهام الاستطلاع الليلي على الارتفاعات المنخفضة. وقد بدت القنبلة الأميركية أشبه بقنبلة خفيفة تقليدية، إذ تحتوي في مقدمتها على فتيل " إم 111 إيه 2″، كما زُودت بشريطي تعليق وذيل على شكل صندوق بلوحة سحب مربعة مسؤولة عن إشعال فتيل التوقيت الميكانيكي. وتصل شدة الوميض القصوى إلى نحو 500 مليون شمعة. ونظرا لشدة الوميض تؤثر القنابل الضوئية سلبا على الرؤية عند النظر إليها، لذا يتطلب التعامل معها حذرا وإجراءات احترازية كبيرة، نظرا لحساسية شحنتها للاحتكاك والصدمات ودرجة الحرارة. وقد شهدت هذه القنابل نسخا متقدمة ومعدلة، فاستخدمتها معظم جيوش العالم وأصبحت وسيلة لا غنى عنها أثناء الحروب والعمليات العسكرية الخاصة. مهمتها في المعارك تتمثل المهمة الأساسية للقنابل الضوئية في توليد إضاءة عالية للغاية في الجو لتوفير رؤية أفضل للقوات في المناطق التي تتمركز فيها. ويُنتج إطلاق هذه القنابل ضوءا شديدا في الجو مدة ثوان أو دقائق محدودة، وذلك بهدف: التصويب الدقيق تجاه الأهداف. مساعدة الجيش على رؤية ميدان المعركة بوضوح. تحديد التحركات العسكرية على الأرض. التعرف على تحركات الخصوم وكشفها في فترة الليل. شل حركة الطرف المستهدف وإرباكه وإفقاده الرؤية. مساعدة الطائرات على التقاط صور جوية ليلية دون الحاجة للتحليق على ارتفاعات منخفضة. آلية عملها تُطلق الجيوش القنابل الضوئية عبر مدافع الهاون أو الطائرات المسيرة، كما يُمكن إطلاقها من قاذفات الصواريخ. ويجري تعليق هذه القنابل بواسطة زعانف أو مظلة صغيرة للتحكم في نزولها في المناطق المستهدفة، مما يضمن بقاءها في الهواء فترة كافية، ويوفر للقوات ضوءا إضافيا وإرسالا للإشارات بشكل فعال ودقيق. وتحتوي هذه القنابل على فتيل للاشتعال، وهو مصنوع من عنصر المغنيسيوم الكيميائي، مما يُساعد في نشر ضوء كثيف عند احتراقه. أنواعها يوجد العديد من أنواع القنابل الضوئية التي تستخدمها الجيوش في المعارك، ومنها: قنابل الإضاءة البيضاء: توفر ضوءا ساطعا ذا لون أبيض، وهي قادرة على توفير رؤية واضحة للقوات. قنابل الإضاءة ذات الأشعة تحت الحمراء: تُستخدم في العمليات العسكرية الخاصة التي تتطلب رؤية غير مرئية بالعين المجردة، إذ توفر إضاءة لا تُرى إلا بأجهزة الرؤية الليلية. تُطلق دخانا إلى جانب الضوء الأبيض، بهدف توفير تغطية بصرية للقوات وإرباك الخصم والتشويش عليه. قنابل إسرائيل الضوئية اعتمد جيش الاحتلال الإسرائيلي بشكل واسع على القنابل الضوئية، خاصة أثناء عملياته في قطاع غزة، وجنوب لبنان، إضافة إلى استخدامها في الجولان المحتل و محافظة السويداء ، وذلك أثناء تدخله في الاشتباكات التي وقعت في جنوب سوريا في يوليو/تموز 2025. وكثف الاحتلال الإسرائيلي استخدام هذه القنابل بشكل يومي أثناء حرب الإبادة التي شنها على قطاع غزة، وذلك لتحديد المواقع المستهدفة قُبيل قصفها بالصواريخ والقذائف المدفعية. وعمد الاحتلال لاستخدام هذه القنابل بشكل دائم بغزة بسبب الانقطاع الكامل للكهرباء عنها منذ السابع من أكتوبر/تشرين الأول 2023. ووظف الاحتلال هذه القنابل في المناطق التي تشهد عمليات برية، وذلك خوفا من كمائن المقاومة الفلسطينية، التي تُشكل رعبا لقواته. وفي بعض العمليات الخاصة التي نفذها جيش الاحتلال في قطاع غزة، استخدم هذه القنابل لا سيما أثناء انسحاب أفراد القوات الخاصة من الأماكن المستهدفة.
الجزيرة
منذ 2 أيام
- الجزيرة
فيروسات الجهاز التنفسي قد توقظ السرطان النائم
كشفت دراسة جديدة أن التهابات الجهاز التنفسي، مثل كوفيد19 والإنفلونزا، تزيد من خطر إعادة تنشيط خلايا سرطان الثدي الكامن وانتشارها لدى المريضات اللواتي أصبن بالمرض سابقا. وحذرت الدراسة من أن هذا التنشيط قد يحفز ظهور أورام خبيثة جديدة، وتسلط نتائج الدراسة الضوء على ضرورة إدراك المرضى لخطر العدوى وانتشار السرطان. ويعتبر سرطان الثدي أكثر أنواع السرطان شيوعا بين النساء، وبعد الشفاء من المرض قد تبقى خلايا السرطان خاملة لسنوات قبل أن تنتشر -خاصة في الرئتين أو أعضاء أخرى- وتسبب انتكاسة. ونظرا لارتباط التهابات الجهاز التنفسي الفيروسية مثل "سارس كوف 2" -وهو الفيروس المسبب لمرض كوفيد 19- بالالتهاب، فقد يؤدي ذلك إلى تحفيز عمليات قد تؤدي إلى انتشار خلايا السرطان. وأجرى الدراسة باحثون في جامعة كولورادو، ومركز مونتيفيوري أينشتاين الشامل للسرطان في نيويورك بالولايات المتحدة، ونشرت نتائجها في مجلة نيتشر في 30 يوليو/تموز الماضي، وكتبت عنها مجلة نيوزويك الأميركية. وصرح مؤلف الدراسة من مركز جامعة كولورادو للسرطان جيمس ديجريجوري في بيان أن "خلايا السرطان الكامنة أشبه بالجمر المشتعل في نار المخيم المهجورة، وفيروسات الجهاز التنفسي أشبه بريح قوية تعيد إشعال النيران". وأضاف لمجلة نيوزويك أنه "بالنسبة للمرضى المصابين، فإن أبسط إستراتيجية هي تجنب العدوى (عبر التطعيم ، وتجنب الأماكن المزدحمة خلال موسم الإنفلونزا، وما إلى ذلك)". ودفع ارتفاع معدلات وفيات السرطان في العامين الأولين من الجائحة ديجريجوري وزملاءه إلى دراسة آثار فيروس الإنفلونزا وفيروس سارس كوف 2 على نتائج سرطان الثدي في نماذج الفئران، وخلصوا إلى أن هذه العدوى قللت من خمول خلايا سرطان الثدي في الرئتين. من أيقظ الوحش؟ وتكاثرت خلايا السرطان في غضون أيام من الإصابة، مما أدى إلى توسع آفات السرطان النقيلي في غضون أسبوعين، ووجد الباحثون أن المسارات الالتهابية متورطة في هذا التأثير، و السرطان النقيلي (metastatic cancer) هو سرطان تكوّن في منطقة أخرى منفصلة عن المنطقة الأولى التي نشأ فيها السرطان الأولي. وكشف تحليل الجزيئات أن تنشيط الخلايا السرطانية الخاملة يحركه بروتين يسمى إنترلوكين-6 (interleukin-6) الذي تطلقه الخلايا المناعية استجابة للعدوى أو الإصابات. وقال المؤلف المشارك في البحث وعالم الأحياء الخلوية في مركز مركز مونتيفيوري أينشتاين الشامل للسرطان خوليو أغيري غيسو في بيان: "إن تحديد إنترلوكين 6 كوسيط رئيسي في إيقاظ الخلايا السرطانية المنتشرة الخاملة يشير إلى أن استخدام مثبطات إنترلوكين 6 أو غيرها من العلاجات المناعية المستهدفة قد يمنع أو يقلل من عودة ظهور النقائل بعد العدوى الفيروسية". وفحص الباحثون ما إذا كان مرضى السرطان الذين جاءت نتائج فحوصاتهم إيجابية لكوفيد 19 قد يكونون أكثر عرضة لخطر الوفاة المرتبطة بالسرطان، وذلك بتحليل بيانات من قواعد بيانات البنك الحيوي البريطاني وقاعدة بيانات فلاتيرون هيلث. واكتشفوا وجود علاقة بين عدوى فيروس سارس كوف 2 وخطر الوفاة في مجموعة البنك الحيوي، وأظهر المرضى الذين جاءت نتائج فحوصاتهم إيجابية لفيروس سارس كوف 2 زيادة مضاعفة في خطر الوفاة المرتبطة بالسرطان مقارنة بمن كانت نتائجهم سلبية.
الجزيرة
منذ 4 أيام
- الجزيرة
الجسيمات الشبحية في باطن النجوم قد تكشف عن "فيزياء جديدة" غامضة
النيوترينو هو جسيم دون ذري خفيف جدا لدرجة أن كتلته تكاد تكون معدومة مقارنة بالجسيمات الأخرى، وبالكاد يتفاعل مع المادة، إذ يمكنه المرور عبر الأرض أو حتى جسم الإنسان من دون أن يتأثر أو يُحدث أي تفاعل. ومن هنا جاءت التسمية الأشهر لتلك الجسيمات الدقيقة جدا (الجسيمات الشبحية)، بل إنه في كل لحظة صغيرة من الزمن، يمر عدد هائل من النيوترينوات عبر جسمك من دون أن تشعر بها، يُقدّره العلماء بحوالي 100 تريليون نيوترينو. تأتي هذه الجسيمات الأولية بثلاث "نكهات" معروفة، هي: الإلكترون نيوترينو، والميون نيوترينو، والتاو نيوترينو. وتتولد هذه الجسيمات من العمليات النووية، مثل تلك التي تحدث داخل النجوم، وفي الانفجارات النجمية العملاقة (المستعرات العظمى)، أو في التفاعلات النووية على الأرض أو مصادمات الجسيمات. قلب النجم المتفجر وفي دراسة نشرت في دورية "فيزيكال ريفيو ليترز"، قام فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بمحاولة لفحص تأثير التفاعلات "السرية" بين النيوترينوات على انهيار النجوم الضخمة. فعندما تنهار النجوم الضخمة، تنتج كميات هائلة من النيوترينوات، تسرق (تمتص) الطاقة الحرارية من النجم، فتفقده قدرا من الطاقة، الأمر الذي يؤدي بالتبعية إلى انكماش النجم. في النهاية، تصبح كثافة النجم المنهار عالية جدا لدرجة أن النيوترينوات تحاصر وتصطدم ببعضها، ولكن في هذا السياق، توصل العلماء إلى ملاحظة غريبة، فإذا كانت التفاعلات بين النيوترينوات تقتصر على النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، ستكون النيوترينوات في الغالب ذات نكهة إلكترونية، وستكون المادة "باردة" نسبيا، ومن المرجح أن يُخلف الانهيار بقايا نجم نيوتروني. النموذج القياسي للفيزياء هو النظرية التي تشرح التفاعلات بين الجسيمات الأولية التي تشكل المادة والطاقة في الكون، ويعتمد هذا النموذج على فكرة أن كل شيء يتكون من جسيمات أصغر مثل الكواركات والإلكترونات، وأن التفاعلات بين هذه الجسيمات تتم عبر قوى أساسية، ويعتبر هذا النموذج الأساس لفهمنا للكون على مستوى التركيب الصغير جدا. أما إذا كانت النيوترينوات تتفاعل بطرق غير معروفة حتى الآن، فقد يؤدي ذلك إلى إنتاج أنواع مختلفة من نكهات النيوترينوات، الأمر الذي يؤدي إلى خلق نواة نجمية ساخنة وغنية بالنيوترونات، فيزيد ذلك من احتمال تحول النجم إلى ثقب أسود بدلا من نجم نيوتروني. فيزياء جديدة ولكن إلى أي طريق منهما تفضل جسيمات النيوترينو المضي قدما وعلى أي أساس؟ لا يزال هذا السؤال بلا إجابة، ومن المحتمل أن تساعد "تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض للنيوترينوات" (ديون) التي ستجريها مختبرات فيرمي الوطنية في اختبار هذه المقترحات البحثية. ومن المتوقع أن تبدأ التجربة في عام 2029، حيث ستركب أجهزة الكشف في موقع تحت الأرض في ولاية داكوتا الجنوبية، وقد يبدأ تشغيل الحزمة النيوترينية في عام 2031، بعد الانتهاء من بناء المنشآت اللازمة. بالإضافة إلى ذلك، قد تسهم الملاحظات المستقبلية للنيوترينوات أو الموجات الجاذبية الناتجة عن انهيار النجوم في تقديم أدلة لتأكيد هذه التفاعلات السرية التي ربما تمثل فيزياء جديدة لم نكتشفها بعد.
