Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
تكشف هذه الدراسة أن بوليمرات النجم النشطة تُظهر ظاهرة غير توازنية تُسمى "الاحتواء النشط"، حيث تتغلب أذرعها ذاتية الدفع على التنافر الفراغي لتنهار ذاتياً وتلتقط الجسيمات المحيطة بها، لتعمل بفعالية كملقطات مجهرية للتحكم المستهدف في الشحنات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تمتلك الكائنات الحية قدرة مذهلة على تغيير شكلها ووظيفتها من تلقاء نفسها. فبإمكان الخلية إعادة تنظيم هيكلها الداخلي لتتحرك، أو يمكن للبروتين أن يطوي نفسه في شكل دقيق لأداء مهمة ما، وكل ذلك دون يد خارجية توجه العملية. لطالما سعى العلماء لمحاكاة هذا النوع من السلوك الموجه ذاتياً في المواد الاصطناعية، آملين في بناء آلات ناعمة يمكنها الطي، أو الالتفاف، أو الإمساك بالأشياء بمجرد استخدام طاقتها الداخلية. وبينما نجح الباحثون في ابتكار مواد تتورم أو تتمدد أو تتذبذب عند تنشيطها، فإن جعلها تؤدي مهمة ميكانيكية محددة — مثل الالتفاف حول جار لها للإمساك به — ظل تحدياً صعباً. فمعظم المواد النشطة تكتفي بالتحرك حول نفسها أو تغيير حجمها الإجمالي، لكنها تفتقر إلى التحكم المنسق اللازم للتفاعل مع بيئتها بطريقة مستهدفة.
اكتشف فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لتحقيق هذا النوع من الإمساك الذاتي باستخدام نوع خاص من الهياكل نجمية الشكل. لقد صنعوا ودرسوا "البوليمرات النجمية النشطة"، وهي ليست مكونة من جزيئات صغيرة بل من جسيمات كبيرة بحجم السنتيمتر يمكن رؤيتها بالعين المجردة. يتكون كل من هذه الهياكل من قلب خامل مركزي تمتد منه عدة أذرع نحو الخارج. وتتكون الأذرع من جسيمات أصغر مصمسة للتحرك من تلقاء نفسها عند وضعها على سطح يهتز. ومن خلال الجمع بين التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية، وجد الباحثون أن هذه الأذرع النشطة تلتف تلقائياً حول القلب المركزي وحول بعضها البعض، مما يؤدي فعلياً إلى احتضان الهيكل في كرة ضيقة. هذه الظاهرة، التي يسمونها "الاحتضان النشط" (active embracement)، تسمح للبوليمر النجمي بالانهيار إلى شكل مدمج، أو التكتل مع النجوم الأخرى، أو حتى مد أذرعها لالتقاط الجسيمات السائبة القريبة، لتعمل تماماً مثل ملقط ذاتي الحركة.
قام الباحثون ببناء هذه البوليمرات النجمية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء جسيمات مخصصة. القلب المركزي هو أسطوانة خاملة تتحرك عشوائياً، مثل ذرة غبار في الماء. ومتصل بهذا القلب عدة أذرع، يتكون كل منها من سلسلة من الجسيمات النشطة. هذه الجسيمات النشطة مزودة بسبعة أرجل صغيرة مائلة بزاوية محددة. وعندما يوضع النظام بأكمله على لوحة تهتز رأسياً بتردد 100 مرة في الثانية، تتسبب الأرجل المائلة في جعل الجسيمات النشطة تقفز وتتحرك في اتجاه محدد، مما يمنحها حركة مستمرة ذاتية الدفع. ترتبط الأذرع بالقلب وببعضها البعض بواسطة روابط صلبة تسمح لها بالدوران بحرية ولكنها تحافظ على المسافة الثابتة بين الجسيمات. اختبر الباحثون هذه الهياكل في ساحة دائرية، مراقبين سلوكها مع أعداد مختلفة من الأذرع وأطوال مختلفة لها.
في غياب هذه الحركة ذاتية الدفع، ستنتشر أذرع البوليمر النجمي ببساطة، مدفوعة بحقيقة أنها لا تستطيع احتلال المساحة نفسها. ومع ذلك، عندما تكون الأذرع نشطة، يتغير السلوك بشكل جذري. فالحركة المستمرة للأذرع تجعلها تصطدم ببعضها البعض. ولأن الجسيمات مصنوعة من مادة تولد احتكاكاً عند تلامسها، فإن هذه الاصطدامات لا تكتفي بدفعها بعيداً؛ بل إن الاحتكاك يبطئ سرعتها ويجعلها تلتصق ببعضها البعض. يؤدي هذا إلى حالة تلتف فيها الأذرع حول القلب المركزي وحول بعضها البعض، مما يؤدي إلى انهيار الهيكل بأكره في شكل كروي ضيق. لاحظ الباحثون سلوك الانهيار الذاتي هذا في كل من تجاربهم الفيزيائية ونماذجهم الحاسوبية، مشيرين إلى أن ذلك يحدث بغض النظر عن عدد الأذرع التي يمتلكها النجم أو طول تلك الأذرع.
إن آلية الالتفاف والالتصاق هذه لا تقتأصر على تفاعل بوليمر نجمي واحد مع نفسه. فعندما توضع عدة بوليمرات نجمية نشطة معاً، فإنها لا تتنافر كما تفعل الأجسام الخاملة. بدلاً من ذلك، تمتد أذرعها النشطة لتعانق أذرع النجوم المجاورة. ويؤدي الاحتكاك الناتج عن هذه الاتصالات إلى إبطاء الحركة النسبية للنجوم المختلفة، مما يتسبب في تكتلها وبقائها في تلامس وثيق لفترات طويلة. وقد أكدت المحاكاة الحاسوبية أن هذا التكتل هو نتيجة مباشرة للحركة النشطة والاحتكاك بين الجسيمات؛ فبدون الاحتكاك، كانت النجوم ستصطدم ببعضها البعض وتظل منفصلة.
ولعل العرض الأكثر إثارة لهذا السلوك هو القدرة على التقاط ونقل الأجسام الخاملة. فعندما وضع الباحثون جسيمات سائبة غير متحركة في الساحة مع بوليمر نجمي نشط، كانت أذرع النجم تلتف تلقائياً حول الجسيمات السائبة، وتحجزها داخل الهيكل المنهار. لقد "أمسك" النجم النشط فعلياً بالجسيمات الخاملة وحملها معه أثناء حركته. وفي المقابل، فإن البوليمر النجمي الخامل، الذي يفتقر إلى الحركة ذاتية الدفع، لم يستطع التقاط أي شيء؛ إذ كانت أذرعه تدفع الجسيمات السائبة بعيداً فحسب. وقاس الباحثون عدد الجسيمات التي تم التقاطها عند كثافات مختلفة ووجدوا أن النجوم النشطة التقطت عدداً أكبر بكثير من نظيراتها الخاملة، حيث حجزت أحياناً ما يقرب من نصف الجسيمات المتاحة في الساحة.
تسلط الدراسة الضوء على أن مفتاح هذا السلوك هو الجمع بين الدفع الذاتي والاحتكاك. فالحركة النشطة تدفع الأذرع لاستكشاف محيطها والاصطدام به، بينما يضمن الاحتكاك بقاءها متصلة بمجرد تلامسها بدلاً من الارتداد بعيداً. وهذا يخلق حالة متميزة من المادة حيث يكون الهيكل في حركة مستمرة ولكنه يحافظ على شكل منهار ومستقر. ويقترح الباحثون أن هذا "الاحتضان النشط" يمكن أن يكون بمثابة مخطط لتصميم مواد ذكية يمكنها أداء مهام ميكانيكية دون تحكم خارجي. ومن خلال ضبط بنية هذه الهياكل، قد يكون من الممكن إنشاء روبوتات ناعمة أو مواد يمكنها جمع الشحنات ذاتياً، أو تجميع نفسها، أو التنقل في بيئات معقدة، محاكيةً بذلك القدرات التكيفية الموجودة في الأنظمة الحية ولكن مدفوعة بالكامل بالمبادئ الفيزيائية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.