Collective self-sorting on a chip

يُعد الفرز عملية تنظيم أساسية، وهي العملية التي تجد من خلالها الفوضى المتراكمة من الأشياء المختلفة مكانها الصحيح. في عالم الفيزياء الهادئ، حيث تستقر الأنظمة في حالة سكون، يحدث هذا التنظيم عادةً لأن المكونات تستقر في أدنى حالة طاقة لها، تماماً مثل الحجارة التي تغوص في قاع بركة ماء. لكن العالم نادراً ما يكون ساكناً. ففي الأنظمة التي تتحرك باستمرار وتستهلك الطاقة — وهو ما يسميه العلماء "المادة النشطة" — تتغير القواعد. هنا، لا تنتظر الجسيمات دفعة لطيفة من الحرارة لتتحرك؛ بل هي تدفع نفسها بنفسها. وعندما تختلط هذه الجسيمات ذاتية الدفع مع جسيمات أخرى تتحرك بشكل مختلف، يمكنها أن تنفصل تلقائياً، ليس لأنها تعبت، بل لأن حركتها ذاتها تدفعها بعيداً عن بعضها البعض. تقدم هذه الظاهرة طريقة جديدة لفرز الأجسام المجهرية دون الحاجة إلى مناخل خارجية أو آلات معقدة، بالاعتماد بدلاً من ذلك على سلوك الجسيمات نفسه للقيام بالمهمة.

قام فريق من الباحثين في جامعة لايدن الآن بتحويل هذا المبدأ إلى جهاز عامل، وهو عبارة عن شريحة مائعية دقيقة (microfluidic chip) تقوم بفرز خليط من الجسيمات الصغيرة ذاتية الدفع ببساطة عن طريق توجيهها عبر مسار منحني. بدأ العلماء بخليط من نوعين من الأسطوانات المجهرية، أحدهما مصنوع من البوليستيرين والآخر من بلاستيك مختلف يسمى بولي ميثيل ميثاكريلات. وعند وضع هذه الجسيمات في سائل محدد وتعريضها لمجال كهربائي، تبدأ هذه الجسيمات في التدحرج عبر السطح، مكونة حشداً كثيفاً ومضطرباً. واكتشف الباحثون أنه إذا تحرك النوعان من الجسيمات بسرعات مختلفة، فإنهما ينفصلان طبيعياً: حيث تهاجر الجسيمات الأسرع إلى الحافة الخارجية للدوامة، بينما تتجمع الجسيمات الأبطأ في المركز. هذا الانفصال ليس ثابتاً بناءً على حجم الجسيمات أو المادة المصنوعة منها؛ بل هو مدفوع بالكامل بالاختلاف في سرعتها. ومن خلال ضبط المجال الكهربائي، استطاع الفريق حتى عكس نوع الجسيمات الأسرع، مما أدى إلى قلب نمط الفرز فوراً بحيث يتولى القائد الجديد الحلقة الخارجية.

لفهم كيفية عمل هذا الانفصال بدقة وكيفية جعله مفيداً، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً يحاكي سلوك الآلاف من هذه الجسيمات. وقد أكدوا أن الاختلاف في السرعة وحده كان كافياً لإحداث الانفصال، حتى عندما كانت الجساتيم ذات أحجام مختلفة. كما كشفت عمليات المحاكاة عن تفصيل حاسم حول شكل الوعاء: حيث يحدث الانفصال بكفاءة أكبر عندما تكون الجسيمات محصورة في مساحة ضيقة ومنحنية. فقد سمحت دائرة كبيرة ومفتوحة بحدوث الانفصال، لكن الأمر استغرق وقتاً طويلاً. أما الدائرة الأصغر والأكثر ضيقاً فقد أجبرت الجسيمات على إعادة تنظيم نفسها بسرعة أكبر بكثير. أدت هذه الرؤية إلى مبدأ تصميم رئيسي: لفرز الجسيمات بسرعة وفعالية، يجب استخدام سلسلة من القنوات المنحنية الصغيرة بدلاً من غرفة واحدة كبيرة.

ثم ترجم الباحثون هذه النتائج إلى جهاز فيزيائي. فقد صمموا شريحة ذات قناة متعرجة تشبه شكل الثعبان، مكونة من أقسام منحنية متتالية. وبينما يتدفق معلق الجسيمات المختلط داخل الجهاز، تُدفع الجسيمات الأسرع نحو الجدار الخارجي لكل منحنى، بينما تُدفع الجسيمات الأبطأ نحو الجدار الداخلي. وفي نهاية كل قسم منحني، يقوم جدار صغير بتوجيه التيار الخارجي من الجسيمات السريعة نحو مخرج واحد، والتيار الداخلي من الجسيمات البطيئة نحو مخرج آخر. اختبر الفريق هذا التصميم باستخدام جسيمات حقيقية، حيث حقنوا معلقاً مختلطاً في الشريحة. ومع انتقال الخليط عبر الوحدات العشر المنحنية للجهاز، أصبح الانفصال أكثر وضوحاً مع كل منعطف. وبحلول الوقت الذي وصلت فيه الجسيمات إلى النهاية، تم فرز النوعين بشكل كبير إلى تيارات متميزة، حيث جُمعت الجسيمات الأسرع عند مخرج واحد والجسيمات الأبطأ عند المخرج الآخر.

يُظهر هذا العمل أن السلوك الجماعي للجسيمات النشطة يمكن تسخيره لإنشاء آلة فرز مستمرة وذاتية التشغيل. لا يتطلب الجهاز أجزاء متحركة معقدة أو مجالات خارجية لفصل المكونات بمجرد بدء التدفق؛ إذ يتولى هندسة القناة وحركية الجسيمات نفسها بقية المهمة. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال الضبط الدقيق لانحناء المسار وموقع الجدران الداخلية، استطاعوا التحكم في مدى نقاء التيارات المفصولة وفي كمية الجسيمات التي تم جمعها بنجاح. وبينما تم اختبار الجهاز بنوع محدد من الجسيمات ذاتية الدفع، فإن المبدأ الأساسي يشير إلى مسار جديد لفصل الأجسام المجهرية بناءً على سرعة حركتها، مما يوفر أداة محتملة لتطبيقات مستقبلية في علم الموائع الدقيقة حيث تكون الحاجة إلى فرز لطيف ومستمر أمراً ضرورياً.