Formation mechanism and optical/magnetic properties of high-entropy (FeCuMn)(WMo)O₄₋ₓSₓ nanosheets synthesized via hydrothermal method

غالبًا ما يعتمد علاج السرطان على مقايضة صعبة: فالأدوات التي يمكنها رؤية الورم في عمق الجسم غالبًا ما تكون أضعف من أن تدمره، بينما الأدوات القوية بما يكفي لتدميره يصعب توجيهها بدقة. لطالما بحث العلماء عن مادة واحدة يمكنها القيام بالأمرين معًا: امتصاص الضوء لتوليد حرارة تقتل الخلايا السرطانية، وفي الوقت نفسه تعمل كمنارة للتصوير بالرنين المغناطيسي، وهي تقنية المسح القوية المستخدمة لرؤية ما بداخل جسم الإنسان. معظم المواد الجيدة في مهمة واحدة تكون ضعيفة في المهمة الأخرى، أو تفشل في العمل في الطبقات العميقة من الأنسجة حيث تختبئ الأورام غالبًا. ولحل هذه المعضلة، يتجه الباحثون إلى فئة جديدة من المواد تسمى "المواد عالية الاعتلال" (high-entropy materials). هذه ليست مركبات بسيطة مكونة من عنصرين أو ثلاثة عناصر فقط، بل هي مخاليط معقدة تحتوي على خمسة معادن مختلفة أو أكثر مرتبطة معًا في بنية واحدة مستقرة. هذا الترتيب الفريد يسمح لها بامتلاك مزيج من الخصائص التي لا تستطيع المواد الأبسط تحقيقها، مما يوفر إمكانية تقديم طريقة جديدة لعلاج الأمراض دون جراحة غازية.

في دراسة حديثة، نجح باحث بقيادة هواوي هوانغ من شركة تشيندو زونغكي ويشي للأجهزة المحدودة في ابتكار مادة جديدة نجحت في سد هذه الفجوة. فقد طوروا مادة رقيقة تشبه الصفائح مصنوعة من خليط عالي الاعتلال من الحديد والنحاس والمنغنيز والتنغستن والموليبدينوم، مدمجة مع الأكسجين والكبريت. قام الباحث بتخليق هذه الصفائح النانوية باستخدام طريقة "هيدروحرارية"، وهي عملية تتضمن تسخين خليط من المواد الكيميائية في الماء تحت ضغط عالٍ، بشكل يشبه طريقة عمل طنجرة الضغط ولكن عند درجات حرارة أعلى بكثير. ومن خلال التحكم الدقيق في الحرارة والوقت الذي طُهِي فيه الخليط، تمكن البحث من إجبار هذه المعادن الخمسة المختلفة على الاختلاط بشكل مثالي في بنية بلورية واحدة متجانسة، متجاوزًا الميل الطبيعي لهذه العناصر للانفصال أو تكوين شوائب.

كانت نتائج هذا التخليق مذهلة. فقد أظهرت الصفائح النانوية الناتية قدرة غير عادية على امتصاص الضوء عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، من الضوء المرئي وصولاً إلى طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الضوء في الأشعة تحت الحمراء القريبة يمكنه اختراق أنسجة الإنسان بعمق أكبر من الضوء المرئي، مما يسمح بالوصول إلى الأورام المختبئة تحت الجلد. لقد امتصت المادة الضوء بفعالية كبيرة لدرجة أنه عندما سلط الباحث ليزرًا على عينة من الصفائح النانوية، ارتفعت درجة حرارة السائل بمقدار 38 درجة مئوية في خمس دقائق فقط. يوضح هذا التسخين السريع إمكانات المادة في العلاج الضوئي الحراري، حيث يتم تحويل الضوء إلى حرارة لطهي وتدمير الخلايا السرطانية. وقد أدت المادة أداءً جيدًا في نافذتين مختلفتين من الأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الطب، مما يشير إلى إمكانية فعاليتها في علاج الأورام العميقة.

وبعيدًا عن قدرتها على توليد الحرارة، أثبتت المادة أيضًا أنها عامل ممتاز للتصوير بالرنين المغناطيسي. فعند وضعها في مجال مغناطيسي، أظهرت الصفائح النانوية خصائص مغناطيسية قوية، حيث تصرفت كمغناطيس ناعم يمكن تشغيله وإطفاؤه بسهولة. هذه الخاصية حاسمة للتصوير الطبي، لأنها تسمح للمادة بتعزيز تباين صور الرنين المغناطيسي، مما يجعل الأورام تبرز بوضوح مقابل الأنسجة السليمة. ووجدت الدراسة أن المادة تعمل كعامل تباين ثنائي الوضع، مما يعني أنها يمكن أن تحسن كلا نوعي إشارات الرنين المغناطيسي التي يستخدمها الأطباء لتشخيص المرض. تنبع هذه القدرة المزدوجة من المزيج المحدد للمعادن داخل الشريحة: حيث يعمل أيونات المنغنيز والحديد، الموزعة بالتساوي في جميع أنحاء البنية، معًا لإنشاء استجابة مغناطيسية قوية.

كما اكتشف الباحث أن نجاح هذه المادة يعتمد كليًا على درجة الحرارة المستخدمة أثناء إنشائها. فعندما قاموا بتسخين الخليط إلى 140 درجة مئوية، لم تختلط المعادن بشكل صحيح، مما أدى إلى توليد مزيج فوضوي من المركبات المختلفة التي تفتقر إلى الخصائص المطلوبة. ومع ذلك، عندما رفعوا درجة الحرارة إلى 200 درجة مئوية، أعادت الذرات ترتيب نفسها في محلول صلب أحادي الطور ومثالي. عند هذه الدرجة المرتفعة، كانت الطاقة كافية للتغلب على الحواجز الطبيعية التي تبقي هذه المعادن بعيدة عن بعضها البعض، مما سمح لها بتكوين شريحة مستقرة ومتجانسة. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على الدور الحاسم للحرارة في هندسة هذه المواد المعقدة، مما يثبت أن الظروف المناسبة يمكن أن تفتح مستوى من التجانس يستحيل تحقيقه في درجات الحرارة المنخفضة.

المنتج النهائي هو منصة متعددة الاستخدامات تجمع بين القدرة على رؤية الورم والقدرة على علاجه. فالصفائح النانوية صغيرة بما يكفي للسفر عبر مجرى الدم والتراكم في أنسجة الورم، حيث يمكن تنشيطها بواسطة الليزر لتوليد الحرارة مع توفير صورة واضحة للأطباء لمراقبة العملية في نفس الوقت. تؤكد الدراسة أن نهج "الاعتلال العالي" هذا يخلق مادة ذات نطاق امتصاص واسع، وتوليد حراري فعال، وخصائص مغناطيسية قوية، كل ذلك في حزمة واحدة. ومن خلال إثبات إمكانية دمج هذه المعادن الخمسة المتميزة في شريحة وظيفية واحدة، يفتح هذا البحث مسارًا جديدًا لتطوير أدوات متقدمة يمكنها تشخيص وعلاج السرطان بفعالية أكبر مما تسمح به الطرق الحالية.