نورنیوز-گروه اجتماعی:به گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشی تازه که نتایج آن در نشریه علمی «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده، از توسعه نسل جدیدی از «ذرات فعال» خبر میدهد؛ ذراتی الهامگرفته از میکروارگانیسمها که نهتنها قادر به حرکت مستقل هستند، بلکه میتوانند شکل خود را نیز تغییر دهند و مسیر حرکتشان را بهصورت برنامهپذیر تنظیم کنند. این ذرات در آینده میتوانند بهعنوان میکرورباتهایی هوشمند در پزشکی، مواد پیشرفته و سامانههای خودترمیمشونده بهکار گرفته شوند.
ذرات فعال، بهطور کلی، موادی هستند که میتوانند انرژی محیط اطراف خود را دریافت کرده و آن را به حرکت یا نیروی پیشران تبدیل کنند. این مفهوم دهههاست که در فیزیک و مهندسی مواد مطرح است، اما آنچه پژوهشگران دانشگاه کلرادو (University of Colorado) ارائه کردهاند، گامی فراتر از نمونههای پیشین به شمار میرود. این ذرات، برخلاف اغلب ذرات فعال شناختهشده، همزمان قابلیت تغییر شکل و تغییر نحوه پاسخ به تحریک الکتریکی را دارند.
جینگیون لی، پژوهشگر پسادکتری و یکی از سرپرستان این تحقیق، توضیح میدهد که ایده اصلی از مشاهده رفتار میکروارگانیسمها الهام گرفته شده است. باکتریها و شناگران میکروسکوپی طبیعی میتوانند شکل بدن و مسیر حرکت خود را تغییر دهند تا به مقصد برسند، در حالی که بیشتر ذرات مصنوعی ساختهشده تاکنون از چنین تواناییهایی بیبهره بودهاند. هدف این پژوهش، نزدیک کردن سامانههای مصنوعی به رفتارهای زیستی و زنده بوده است.
این ذرات میکروسکوپی که طول آنها به حدود ۴۰ میکرومتر میرسد، از نظر اندازه با برخی باکتریهای بزرگ و دیگر میکروارگانیسمها قابل مقایسه هستند. ساختار آنها از دو لایه کاملاً متفاوت تشکیل شده است: یک لایه نرم از جنس هیدروژل و یک لایه سخت و شیشهای. هیدروژل مادهای است که با جذب آب متورم میشود و با از دستدادن آب منقبض میگردد، در حالی که لایه شیشهای چنین رفتاری ندارد.
زمانی که دمای محیط تغییر میکند، لایه هیدروژل واکنش نشان میدهد. در دماهای پایینتر، آب جذب کرده و متورم میشود و در دماهای بالاتر، آب خود را از دست میدهد و کوچکتر میشود. از آنجا که لایه شیشهای ثابت باقی میماند، این تفاوت رفتاری میان دو لایه باعث خمشدن ذره و تغییر شکل آن میشود. به این ترتیب، ذره میتواند از حالتی خمیده به حالتی صاف یا بالعکس تبدیل شود.
در آزمایشهای انجامشده، پژوهشگران این ذرات را درون محفظهای پر از آب و تحت یک میدان الکتریکی متناوب قرار دادند. با تغییر دمای آب، ذرات نهتنها شکل خود را تغییر دادند، بلکه جهتگیری مشخصی نیز پیدا کردند. میدان الکتریکی متناوب باعث قطبیشدن ذرات شد و در نتیجه، یونها درون هیدروژل و آب اطراف شروع به حرکت کردند.
این جریان نامتقارن یونها، نیروی پیشرانی ایجاد کرد که به ذرات امکان حرکت داد. نکته کلیدی آن است که نوع و جهت حرکت، به شکل فعلی ذره و ترکیب لایههای آن بستگی دارد. بهگفته لی، با تنظیم دما میتوان بهصورت برگشتپذیر، هم شکل ذره و هم ویژگی قطبشپذیری مؤثر آن را تغییر داد و در نتیجه، جهت و شیوه حرکت ذره را در زمان واقعی کنترل کرد.
این قابلیت، افقهای گستردهای را برای کاربردهای آینده میگشاید. یکی از مهمترین این کاربردها، ساخت میکرورباتهای پزشکی است. هرچند این فناوری هنوز در مراحل اولیه قرار دارد و مجوز استفاده در بدن انسان را دریافت نکرده است، اما در آینده میتواند برای رساندن هدفمند دارو به بافتها یا نواحی صعبالوصول بدن بهکار رود؛ نواحی که داروها بهتنهایی بهسختی به آنها میرسند.
البته استفاده از میدان الکتریکی متناوب درون بدن انسان، در شکل فعلی، عملی یا ایمن نیست. با این حال، پژوهشگران معتقدند اصول طراحی این ذرات میتواند در سامانههای دیگر، مانند ادوات زیستپزشکی، الکترونیک انعطافپذیر و حسگرهای هوشمند نیز بهکار گرفته شود. به بیان دیگر، ارزش این دستاورد تنها به حرکت ذرات محدود نمیشود، بلکه در مفهومی گستردهتر از «ماده فعال» نهفته است.
اهمیت این پژوهش بهحدی بوده که بنیاد ملی علوم آمریکا (National Science Foundation) با اعطای ۵۵۰ هزار دلار بودجه پژوهشی جدید، از ادامه این مسیر حمایت کرده است. این حمایت مالی به پژوهشگران امکان میدهد تا هم حرکت تکذرات و هم رفتار جمعی گروههای بزرگتر از این ذرات را بررسی کنند.
بهگفته پژوهشگران، این دستاورد دریچهای بهسوی نسل تازهای از مواد فعال میگشاید؛ موادی که میتوانند برخی از پویاییهای سامانههای زنده را بازآفرینی کنند و پلی میان دنیای مواد مصنوعی و رفتارهای زیستی بسازند. پلی که شاید در آینده، فناوری را یک گام دیگر به تقلید هوشمندانه از حیات نزدیکتر کند.