From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

تخيل عالماً يمكنك فيه رؤية ولمس الذرات الفردية، تلك اللبنات الصغيرة التي تشكل كل شيء حولنا. لعقود من الزمن، استخدم العلماء نوعاً خاصاً من المجاهر يسمى مجهر القوة الذرية للقيام بذلك بالضبط. وبدلاً من استخدام الضوء، الذي يكون كبيراً جداً لرؤية الذرات، يستخدم هذا الجهاز إبرة حادة جداً تنتهي بذرة واحدة. وبينما تحوم هذه الإبرة فوق سطح ما، فإنها تشعر بالقوى غير المرئية التي تجذب أو تدفع بينها وبين الذرات الموجودة بالأسفل. وتتراوح هذه القوى من الجذبات الضعيفة واللطيفة التي تمسك بالغبار معاً، إلى الروابط القوية للغاية التي تمسك بالجزيئات معاً. وكان السؤال الكبير للباحثين دائماً هو: هل هذه الإبرة مجرد مراقب سلبي، يسجل بهدوء ما هو موجود، أم أنها مشارك نشط يغير ما يراه؟

لقد قضى فريق من الباحثين من جامعة نوتنغهام ومؤسسات أخرى عشرين عاماً في الإجابة على هذا السؤال. لقد خاضوا رحلة عبر الأنواع المختلفة من القوى الموجودة على المقياس الذري، بدءاً من الأضعف وصولاً إلى الأقوى. وتظهر أعمالهم أن الإبرة ليست أبداً مجرد مراقب سلبي؛ فهي تتفاعل دائماً مع السطح، وأحياناً بلطف وأحياناً بقوة شديدة لدرجة أنها تحرك الذرات من مكانها. ومن خلال فهم كيفية سلوك الإبرة بدقة، تعلموا كيفية بناء هياكل دقيقة ذرة بذرة، وهم الآن يعلمون الحواسيب كيف تساعدهم في القيام بذلك بشكل أفضل.

تبدأ القصة بأضعف القوى، وهي الأنواع التي تمسك بالجسيمات النانوية معاً في طبقة رقيقة على سطح ما. راقب الباحثون فيلماً لجسيمات ذهبية صغيرة، يبلغ عرض كل منها حوالي نانومترين فقط، وهي مستقرة على سطح من السيليكون. وعندما قاموا بمسح هذا السطح بإبرتهم الذرية، حدث شيء مفاجئ. فالجسيمات، التي كانت في البلية منتشرة في نمط فوضوي يشبه المتاهة، بدأت تعيد تنظيم نفسها في تكتلات أكبر وأكثر نعومة. لم يحدث هذا بسبب الحرارة أو التقادم الطبيعي؛ بل حدث لأن الإبرة نفسها كانت تدفع وتشد الجسيمات أثناء مسحها ذهاباً وإياباً. عملت الإبرة كمصدر طاقة محلي صغير، حيث دفعت الجسيمات حتى وجدت ترتيباً أكثر استقراراً. أظهرت هذه العملية، التي تسمى "التخشين"، أن حتى اللمسة اللطيفة من المجهر يمكن أن تعيد تشكيل السطح، مما أثبت أن الأداة نفسها هي التي تقود التغيير.

وبالانتقال إلى مقياس أعلى من القوة، نظر الفريق في كيفية تفاعل جزيئين من جزيئات "الفوليرين" التي تشبه شكل كرة القدم. لقد تمكنوا من التقاط أحد هذه الجزيئات ولصقه في طرف إبرتهم تماماً. ثم قربوا هذا الطرف من جزيء فوليرين آخر مستقر على السطح. ومن خلال قياس القوة بينهما، رسموا خريطة توضح بالضبط كيف يتجاذب الجزيء ويتباعدان. ووجدوا أن الطريقة التي يتجه بها الجزيئان بالنسبة لبعضهما البعض كانت مهمة للغاية. ورغم أن القوة الإجمالية كانت جذبة، إلا أن الشكل المحدد للجزيئات يعني أن قوى التنافر بين ذراتها كانت هي التي تحدد في الواقع كيفية استقرارهما معاً. أظهر هذا الرسم التفصيلي للتفاعل أنه أكثر تعقيداً بكثير من مجرد تجاذب بسيط؛ بل هو توازن دقيق من القوى يعتمد كلياً على كيفية دوران الجزيئات.

ثم وجه الباحثون اهتمامهم إلى نوع شائع من الروابط الكيميائية يسمى "الرابطة الهيدروجينية"، وهي ضرورية لتماسك العديد من الجزيئات البيولوجية معاً. في الماضي، ادعى العلماء أنهم يرون هذه الروابط مباشرة في صور المجهر كخطوط ساطعة تربط الجزيئات. ومع ذلك، وجد فريق نوتنغهام أن هذه الخطوط الساطعة كانت غالباً أوهاماً. فعندما قاموا بمسح سطح حيث ترتبط الجزيئات بروابط هيدروجينية، رأوا خطوطاً ساطعة في المواقع التي يجب أن تكون فيها الروابط تماماً. ولكن عندما حللوا البيانات بعناية، أدركوا أن هذه الخطوط لم تكن الروابط نفسها. بدلاً من ذلك، كانت ناتجة عن انحناء طرف المجهر المرن قليلاً أثناء تحركه فوق السطح، مما خلق صورة تبدو وكأنها رابط حتى في حال عدم وجوده. كان هذا الاكتشاف تصحيحاً كبيراً للمجال، حيث أظهر أن ما يبدو رابطاً كيميائياً في صورة المجهر قد يكون مجرد أثر ناتج عن حركة الأداة نفسها.

ولتجاوز هذه الأوهام، انتقل الفريق إلى أقوى القوى على الإطلاق: الروابط التساهمية، وهي الروابط الصلبة التي تمسك الذرات معاً في هيكل صلب. ركزوا على سطح من السيليكون حيث ترتبط أزواج من الذرات، تسمى "الدايمرات"، معاً ولكنها يمكن أن تتقلب ذهاباً وإياباً مثل المفتاح. ومن خلال الضغط على الإبرة بالقوة المناسبة، تمكنوا من قلب هذه المفاتيح الذرية، وتغيير اتجاه الذرات بناءً على أمر محدد. ومع ذلك، وجدوا أنهم لا يستطيعون قلب ذرة واحدة بمفردها؛ إذ يؤثر الفعل دائماً على جيرانها. علّمهم هذا أن البيئة المحلية أمر بالغ الأهمية؛ فالذرات متصلة ببعضها البعض بقوة لدرجة أن تغيير إحداها يغير الآخرين حتماً. هذا المستوى من التحكم ضروري لبناء الأجهزة المستقبلية على المقياس الذري، لكنه يتطلب فهماً عميقاً لكيفية استجابة مجموعة الذرات بأكملها للمسبار.

الهدف النهائي من هذا العمل هو بناء الهياكل من الأسفل إلى الأعلى، عبر وضع الذرات واحدة تلو الأخرى لإنشاء مواد جديدة. وقد أثبت الفريق ذلك من خلال التقاط ذرات نحاس فردية من سطح ما وترسيبها في نمط محدد. تعلموا أنهم لا يستطيعون فقط دفع الذرات جانباً؛ بل يجب عليهم أحياناً رفعها عن السطح وإسقاطها في مكان جديد. سمح هذا التلاعب الرأسي ببناء مجموعات من الذرات لا يمكن صنعها عن طريق التحريك الجانبي فقط. على سبيل المثال، تمكنوا من إنشاء عنقود ثلاثي ضيق من ثلاث ذرات نحاس، وهو شكل كان من المستحيل تكوينه باستخدام الحركات الجانبية فقط. هذه القدرة على تحريك الذرات للأعلى وللأسفل، وكذلك يميناً ويساراً، فتحت طرقاً جديدة لبناء أشكال معقدة ثلاثية الأبعاد على المستوى الذري.

خلال كل هذه التجارب، أدرك الباحثون أن شكل إبرتهم هو المتغير الأكثر أهمية. فالحصول على طرف مثالي مكون من ذرة واحدة هو نموذج مثالي نادراً ما يوجد في الواقع. كانت أطراف مجاهرهم غالباً غير منتظمة، مع وجود ذرات متعددة بارزة، مما غير كيفية تفاعلها مع السطح. وأحياناً ساعد هذا عدم الانتظام في رؤية أشياء لم يتمكنوا من رؤيتها بالطرف المثالي، ولكن في أحيان أخرى أدى إلى صور مربكة. ولحل هذه المشكلة، بدأوا في استخدام الذكاء الاصطناعي لمساعدتهم. لقد قاموا بتدريب برامج الكمبيوتر للتعرف على شكل الطرف واتخاذ القرار بشأن أفضل طريقة لتحريكه. استطاعت هذه البرامج التعلم من آلاف المحاولات لإيجال التسلسل الأمثل من الحركات لالتقاط ووضع الذرات، مما أدى فعلياً إلى أتمتة عملية البناء بالمادة.

يسلط عمل هذا الفريق الضوء على حقيقة جوهرية حول النظر إلى العالم الذري: الأداة التي تستخدمها هي جزء من التجربة. لا يمكنك مجرد مراقبة الذرات؛ فأنت تتفاعل معها دائماً. وسواء كنت تدفع جسيماً بلطف، أو تقلب مفتاحاً، أو تبني هيكلاً جديداً، فإن المجهر مشارك نشط. ومن خلال فهم حدود وقدرات أدواتهم، وباستخدام حواسيب ذكية لتوجيههم، يقترب هؤلاء العلماء من مستقبل يمكننا فيه تصميم وبناء المواد ذرة تلو الأخرى، لابتكار أشياء لم توجد من قبل.