باحثو MIT يكتشفون نهجاً جديداً لتجميع الجسيمات النانوية

حقق باحثون في MIT اختراقاً كبيراً في علم المواد بعد اكتشافهم أن الروابط الجزيئية المرنة يمكن أن تؤدي إلى ترتيبات جديدة للجسيمات النانوية، ما يتحدى عقدين من الحكمة التقليدية.

اعتقد العلماء تقليدياً أن الروابط الجزيئية الصلبة ضرورية للتحكم في كيفية تجميع الجسيمات النانوية في مواد متقدمة. لكن فريق MIT وجد أن استخدام روابط شديدة المرونة يسمح للجسيمات النانوية بتنظيم نفسها بطرق كان يُعتقد سابقاً أنها مستحيلة.

يتيح هذا النهج المبتكر إنشاء هياكل بلورية لم تُرصد من قبل، ما قد يتغلب على تحدٍّ كبير في علم المواد ويمهد الطريق لمواد ذات خصائص مصممة بدقة.

وتسلط النتائج، المقرر نشرها في Nature Materials، الضوء على كيفية تأثير مرونة الروابط الجزيئية وشحناتها الكهربائية في الهياكل التي تشكلها الجسيمات النانوية.

إعادة التفكير في تجميع الجسيمات النانوية

أشار روب ماكفارلين، أستاذ ريتشارد بي. سيمونز (1953) في علم المعادن في MIT، إلى أن «الناس مهتمون بالشبكات الفائقة للجسيمات النانوية بسبب وعد بناء مواد مصممة يكون لديك فيها صوت أكبر في أنواع الهياكل التي يمكنها بناؤها فعلاً». وشدد على أن هذا النهج الجديد لتجميع الجسيمات النانوية يمثل خروجاً عن الاعتقاد الراسخ بأن الروابط الصلبة ضرورية للتجميع الناجح.

ضم فريق البحث نيكولاس سبالبي، مرشح الدكتوراه في MIT، وستيفن كرونينبرغر، طالب الدكتوراه في جامعة ديلاوير، وهانا شينزاوا، طالبة البكالوريوس في MIT، وماثيو يي الحاصل على الدكتوراه عام 2026، وأرثي جايارامان، أستاذة سابقة في جامعة ديلاوير.

أوضح ماكفارلين أن ترتيب أصغر مكونات المادة يحدد سلوكها. وقال: «إذا كنت تعرف ما هي وحدات البناء لديك وكيف تُرتب، يمكنك تفسير الخصائص التي تمتلكها المواد». هذا المبدأ حاسم للجسيمات النانوية، التي يمكن تخصيصها لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك توصيل الأدوية وتخزين الطاقة.

تحديات التحكم في الجسيمات النانوية

لا يزال التحكم في كيفية ارتباط الجسيمات النانوية يمثل تحدياً كبيراً. إذ يجب على الباحثين تحديد ليس فقط عدد الجسيمات المجاورة التي ترتبط بها كل جسيمة نانوية، بل أيضاً اتجاهات تلك الروابط.

تتضمن الطرق التقليدية لمعالجة هذه المشكلة تغيير أشكال الجسيمات النانوية أو تعديل مساحات سطحية محددة لجذب الجسيمات المجاورة. لكن هذه الأساليب قد تكون معقدة ويصعب توسيع نطاقها للإنتاج الضخم.

أشار ماكفارلين إلى أن الطرق الحالية لتحديد لزوجة الجسيمات النانوية غالباً ما تكون مخصصة ومحدودة بمواد وظروف معينة، ما يجعلها أقل عملية للتطبيقات الأوسع.

تبني المرونة في الروابط الجزيئية

قرر فريق MIT استكشاف استراتيجية مختلفة بالسماح للروابط الجزيئية بالبقاء مرنة. فبدلاً من فرض روابط صلبة، جعلوا الروابط مرنة بما يكفي لإعادة التنظيم أثناء تجمع الجسيمات النانوية.

قال ماكفارلين: «فكرنا: لنفعل العكس تماماً: لنجعل الروابط مرنة لدرجة أنه لا يهم في أي اتجاه تشير في البداية». تسمح هذه المرونة للروابط بالتكيف طبيعياً، ما يحد من عدد الجيران الذين يمكن لكل جسيمة الارتباط بهم.

جهز الباحثون الجسيمات النانوية بروابط مرنة تحمل شحنات كهربائية، تتجاذب بناءً على شحناتها المتعاكسة. يسهل هذا التجاذب انضمام الجسيمات النانوية مع السماح بمجموعة متنوعة من الروابط.

إنشاء هياكل بلورية لم تُرصد من قبل

أظهرت التجارب التي قادها سبالبي أنه من خلال تعديل أحجام الجسيمات النانوية وأطوال سلاسلها الجزيئية المرنة، استطاع الفريق التحكم في كيفية تجمع الجسيمات، ما أدى إلى هياكل بلورية لم تُرصد من قبل.

تُعرف هذه الهياكل باسم الشبكات الفائقة، وتتكون من ترتيبات منظمة للجسيمات النانوية بدلاً من الذرات الفردية. وبتقليل عدد الروابط، أنشأ الباحثون ترتيبات أكثر انفتاحاً، ما أتاح تنوعاً أكبر في الهياكل المتكونة.

أوضح ماكفارلين: «دون الحاجة إلى التصميم المسبق لمكان ارتباط الجسيمات أو أشكالها، يمكننا التحكم في عدد الروابط التي تمتلكها كل جسيمة». تتيح هذه المرونة إنشاء شبكات جديدة لم يكن من الممكن تحقيقها سابقاً.

آفاق مستقبلية للمواد القابلة للتخصيص

يعتقد الباحثون أن طريقتهم قد تؤدي إلى عصر جديد من المواد القابلة للتخصيص، ما يسمح للعلماء باختيار الجسيمات النانوية بناءً على خصائصها الفردية وترتيبها لتطبيقات محددة.

علق ماكفارلين: «من الناحية النظرية، يجب أن يكون الأمر كذلك. في الواقع، لم يكن كذلك على الإطلاق». قد يساعد النهج الجديد في سد هذه الفجوة من خلال تمكين مجموعة واسعة من الهياكل دون تعقيدات طرق التجميع التقليدية.

تمتد التطبيقات المحتملة لهذه المواد المتقدمة عبر الإلكترونيات والطب وتقنيات الطاقة، حيث يمكن للجسيمات النانوية المنظمة بدقة تعزيز الأداء والوظائف.

تلقى البحث دعماً جزئياً من مؤسسة العلوم الوطنية ووزارة الطاقة والجيش الأمريكي والبحرية الأمريكية.

 

المصدر: ScienceDaily Engineering