طوّر فريق من جامعة كولورادو بولدر الأميركية، طريقة جديدة تتيح تصنيع “جسيمات نشطة” بحجم النانو، وبخصائص دقيقة للغاية، يمكنها التحرك في أي مكان بما في ذلك أنسجة الجسم البشري، مما يمهد الطريق لتطبيقات مستقبلية واعدة في الطب والروبوتات الدقيقة والمواد الذكية.
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.