New Approach of Using Cryo-Soft X-ray Tomography for beam-sensitive materials

تغير الجسيمات الصغيرة المكونة من الحديد طريقة تفكيرنا في الطب، والطاقة النظيفة، والتنظيف البيئي. هذه الهياكل المجهرية، التي غالباً ما تكون أصغر من خلية واحدة، يمكن أن تعمل كمحفزات قوية لتسريع التفاعلات الكيميائية أو تعمل كحوامل مستهدفة للأدوية داخل جسم الإنسان. ولفهم كيفية عملها، يجب على العلماء فحصها عن كثب، ولكن هناك عقبة؛ فالعديد من هذه المواد المفيدة هشة. فعندما يحاول الباحثون فحصها باستخدام حزم الإلكترونات عالية الطاقة المستخدمة في المجاهر القياسية، يمكن للطاقة المكثفة أن تحرق أو تذيب أو تغير كيميائياً الهياكل التي يحاولون دراستها. الأمر يشبه محاولة تصوير ندفة ثلج باستخدام مشعل لهب؛ فالصورة التي ستحصل عليها ليست لندفة الثلج، بل للضرر الذي سببه الضوء. لقد جعل هذا القصور لفترة طويلة من الصعب رؤية الشكل والحجم والترتيب الحقيقي لهذه المواد الحساسة في حالتها الطبيعية.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة وارويك وجامعة كامبريدج طريقة لتجاوز هذه المشكلة عبر استخدام نوع مختلف من الضوء. فبدلاً من إطلاق الإلكترونات على العينة، استخدموا الأشعة السينية اللينة، وهي شكل من أشكال الضوء الأكثر رقة ولطفاً على المواد الهشة. ومن خلال تجميد العينات في درجات حرارة شديدة البرودة ثم مسحها بهذه الأشعة السينية، تمكنوا من إنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد مفصلة لجسيمات الحديد النانوية دون تدميرها. هذا النهج، المعروف باسم التصوير المقطعي بالأشعة السينية اللينة بالتبريد (cryo-soft X-ray tomography)، سمح لهم برؤية الجسيمات كما هي حقاً، مما كشف عن حجمها، وكيفية تكتلها، وحتى الطبقات الرقيقة من الجزيئات التي تغلف أسطحها.

ركز الباحثون على نوعين محددين من جسيمات الحديد. الأول كان الحديد النقي، وهو مادة شديدة التفاعل وعرضة للصدأ فور تعرضها للهواء. والثاني كان أكسيد الحديد المغناطيسي، وهي مادة تُستخدم غالباً في التصوير الطبي ومعالجة المياه. ولدراسة هذه المواد، تعين على الفريق صنعها أولاً؛ فقد طوروا طريقة جديدة وسريعة لإنتاج أكسيد الحديد المغناطيسي عن طريق خلط مواد كيميائية في الماء وتسخينها إلى 80 درجة مئوية فقط، وهي عملية لم تستغرق سوى لحظات. أما بالنسبة للحديد النقي، فقد استخدموا مفاعلاً بالموجات الدقيقة (الميكروويف) لتخليق الجسيمات في 30 ثانية فقط. كانت هذه السرعة حاسمة، لأنها منعت المواد من التغير أو التدهور قبل إمكانية دراستها.

بمجرد إنشاء الجسيمات، واجه الفريق تحدي النظر إليها دون التسبب في ضرر. وقد قارنوا طريقتهم الجديدة في الأشعة السينية بالتقنيات التقليدية مثل المجهر الإلكتروني الماسح، الذي يستخدم حزمة من الإلكترونات. في الصور التقليدية، ظهرت جسيمات الحديد النقي ضبابية ومشوهة، حيث غطت الشحنات الكهربية والانهيار الهيكلي سطحها. كما عانت جسيمات أكسيد الحديد المغناطيسي من مشكلات مماثلة، مما جعل من الصعب رؤية شكلها الحقيقي. ومع ذلك، عندما انتقل الفريق إلى التصوير المقطعي بالأشعة السينية اللينة بالتبريد، كانت النتائج مختلفة تماماً؛ إذ كانت الصور حادة وواضحة، تظهر الجسيمات بدقة عالية دون أي علامات للضرر الذي لوحظ في الطرق الأخرى.

لم توفر التقنية الجديدة صورة أكثر وضوحاً فحسب، بل كشفت أيضاً عن تفاصيل كانت مخفية سابقاً. فمن خلال مسح العينات عند مستويات طاقة محددة، استطاع الباحثون التمييز بين قلب الحديد للجسيمات والجزيئات العضوية التي تغلف أسطحها. ووجدوا أن جسيمات الحديد النقي مغلفة بطبقة رقيقة من مادة تسمى "دوديسيل أمين"، والتي تعمل كدرع واقٍ، مما يحمي المعدن من التفاعل مع الأكسجين. كانت هذه الطبقة غير مرئية في صور المجهر الإلكتروني، لكنها برزت بوضوح في مسوحات الأشعة السينية. علاوة على ذلك، تمكن الفريق من بناء نماذج ثلاثية الأبعاد للجسيمات، مما سمح لهم بقياس ليس فقط عرض الجسيم، بل ارتفاعه أيضاً وعلاقته بجيرانه.

أظهرت الدراسة أن جسيمات الحديد النقي كانت تتجمع غالباً في مجموعات أصغر من 200 نانومتر، بينما كانت جسيمات أكسيد الحديد المغناطيسي أصغر حجماً، حيث شكلت مجتمعاً متجانساً يبلغ حجمه حوالي 20 نانومتراً. وكشفت عمليات إعادة البناء ثلاثية الأبعاد أن هذه الجسيمات لم تكن مبعثرة عشوائياً، بل شكلت شبكات معقدة ومترابطة ذات سماكات وأشكال متفاوتة. هذا المستوى من التفصيل حيوي لأن الطريقة التي تتكتل بها هذه الجسيمات تؤثر بشكل مباشر على أدائها في التطبيقات الواقعية، مثل تصفية الملوثات من الماء أو إيصال الدواء إلى الورم.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية كان القدرة على رؤية تجويف صغير، أو مساحة مجوفة، على سطح أحد بلورات الحديد. تم تحديد هذه الميزة، التي قُدر طولها بنحو 2.7 ميكرومتر وعرضها بمقدار 2 ميكرومتر، من خلال إعادة البناء ثلاثي الأبعاد. ومن المرجح أن مثل هذا التفصيل كان سيُفقد أو يُساء تفسيره في صورة ثنائية الأبعاد، حيث يضيع عمق الجسم. كما أكد الباحثون أن طريقتهم يمكن استخدامها لتحليل هذه المواد دون الحاجة إلى طلاءات موصلة، والتي تُطلب غالباً في المجهر الإلكتروني لمنع الشحن، ولكنها قد تحجب السطح الحقيقي للعينة.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال الجمع بين درجات الحرارة المتجمدة وتصوير الأشعة السينية اللينة، يمكن للعلماء أخيراً مراقبة المواد الحساسة للحزم بطريقة تحافظ على سلامتها. توفر هذه الطة نافذة غير مدمرة على عالم النانو، كاشفة عن البنية الحقيقية للمواد التي لطالما كانت هشة للغاية بحيث يصعب دراستها بدقة. ومع استمرار تطور هذه التقنية، فإنها تعد بفتح آفاق جديدة لفهم سلوك جسيمات الحديد النانوية والمواد الهشة الأخرى، مما يوفر أساساً أوضح للابتكارات المستقبلية في العلوم والتكنولوجيا.