ابتكر الباحثون مادة جديدة عن طريق طلاء الحمض النووي بشكل نقي من الزجاج، مما أدى إلى مادة أخف وأقوى من الفولاذ. يوفر هذا الاكتشاف الثوري، باستخدام بنية الزجاج النانوية والخصائص الفريدة للحمض النووي، إمكانية لتطبيقات مختلفة في الهندسة والدفاع. (مفهوم الفنان)
طور الباحثون مادة خفيفة الوزن لكنها قوية من خلال الجمع بين مكونين غير متوقعين: الحمض النووي والزجاج.
يعمل في على المقياس النانوي يوفر للعلماء فهمًا متعمقًا ودقة في تصنيع المواد وتحليلها. في الإنتاج على نطاق واسع، وحتى في البيئات الطبيعية، تكون العديد من المواد عرضة للعيوب والملوثات التي يمكن أن تؤثر على بنيتها المعقدة. يمكن أن تؤدي نقاط الضعف هذه إلى كسرها تحت الضغط. ويتجلى هذا بشكل خاص في معظم أنواع الزجاج، مما يمنحه سمعة كونه مادة هشة.
نجح علماء من جامعة كولومبيا وجامعة كونيتيكت ومختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في تصنيع شكل نقي من الزجاج وأجزاء متخصصة مطلية به. الحمض النووي وبهذا تم إنشاء مادة لم تكن أقوى من الفولاذ فحسب، بل كانت خفيفة الوزن بشكل لا يصدق. المواد التي تحتوي على هاتين الصفتين نادرة، ويمكن أن يؤدي إجراء المزيد من الأبحاث إلى تطبيقات جديدة في الهندسة والدفاع. ونشرت النتائج في المجلة هذاليرة لبنانية أ.تقارير العلوم الفيزيائية.
الحمض النووي: اللبنات الأساسية للحياة وأكثر من ذلك بكثير
في الكائنات الحية، منقوص الأكسجين حامضيحتوي، المعروف أكثر باسم DNA، على معلومات بيولوجية تخبر خلايا الكائنات الحية بكيفية التشكل والنمو والتكاثر. تُعرف المادة التي يتكون منها الحمض النووي بالبوليمر، وهي فئة من المواد القوية والمرنة التي تشمل البلاستيك والمطاط. لقد أثارت مرونتها وبساطتها اهتمام علماء المواد وألهمت العديد من التجارب المثيرة للاهتمام. أوليغ جانج، عالم المواد في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN)، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في مختبر بروكهافن، وأستاذ في جامعة كولومبيالقد استغل الخصائص الفريدة للحمض النووي في تصنيع المواد لسنوات، مما أدى إلى العديد من الاكتشافات. وقد ألهمت هذه التكنولوجيا الجديدة مجموعة من التطبيقات المبتكرة، من توصيل الأدوية إلى الإلكترونيات.
يستخدم أوليغ جانج، في الصورة بالخلف، وآرون ميشيلسون موارد CFN المتخصصة لقياس القوة المدهشة لهذا الهيكل المادي الجديد. الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني
كان جانج قد عمل سابقًا مع المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، آرون ميشيلسون، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بروكهافن، في تجربة تستخدم هياكل الحمض النووي لبناء إطار قوي للمواد الجديدة. تتصرف جزيئات الحمض النووي بطريقة مثيرة للاهتمام. النيوكليوتيدات الفردية، الوحدات الأساسية للأحماض النووية مثل DNA و الحمض النووي الريبي، تملي العلاقة بين التسلسلات التكميلية. إن الطريقة الدقيقة التي ترتبط بها ببعضها البعض تسمح للعلماء بتطوير طرق لطي الحمض النووي في أشكال محددة تسمى “أوريغامي”، والتي سميت على اسم الفن الياباني لطي الورق. هذه الأشكال من الحمض النووي هي لبنات بناء نانوية يمكن برمجتها باستخدام روابط الحمض النووي القابلة للتوجيه إلى “التجميع الذاتي“. وهذا يعني أن الهياكل المحددة جيدًا ذات النمط المتكرر يمكن أن تتشكل تلقائيًا من كتل الحمض النووي الورقية هذه.
ثم تلتصق هذه الكتل ببعضها البعض لتشكل شبكة أكبر، وهي بنية ذات نمط متكرر. تسمح هذه العملية للعلماء ببناء مواد نانوية مرتبة ثلاثية الأبعاد من الحمض النووي ودمج الجسيمات النانوية غير العضوية والبروتينات، كما أظهرت الدراسات السابقة للمجموعة. بعد أن اكتسبوا الفهم والتحكم في عملية التجميع الفريدة هذه، تمكن جانج وميشيلسون وفريقهم من استكشاف ما يمكن تحقيقه عندما تم استخدام هذه السقالة الجزيئية الحيوية لإنشاء هياكل السيليكا التي تحافظ على بنية السقالات.
قال ميشيلسون: “لقد ركزنا على استخدام الحمض النووي كمادة نانوية قابلة للبرمجة لتشكيل سقالة ثلاثية الأبعاد معقدة، وأردنا استكشاف كيفية أداء هذه السقالة ميكانيكيًا عند نقلها إلى مواد صلبة أكثر استقرارًا. لقد بحثنا في إمكانية صب هذه السقالة الذاتية”. تجميع المواد في السيليكا، المكون الرئيسي للزجاج، وإمكاناتها.
أكسبه عمل ميشيلسون في هذا المجال جائزة روبرت سيمون التذكارية من جامعة كولومبيا. وقد استكشفت أبحاثه في هياكل الحمض النووي مجموعة من الخصائص والتطبيقات، بدءًا من الخواص الميكانيكية وحتى الموصلية الفائقة. مثل الكثير من الهياكل التي تم بناؤها، يستمر عمل مايكلسون في النمو والتطور لأنه يتضمن طبقات جديدة من المعلومات من هذه التجارب المثيرة.
نظرة مجهرية على كيفية تشكيل خيوط الحمض النووي لأشكال مدمجة داخل هياكل شبكية أكبر مطلية بالسيليكا. CFN، JEOL-1400 TEM وهيتاشي-4800 SEM. الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني
الجزء التالي من عملية التصنيع مستوحى من التمعدن الحيوي، وهي الطريقة التي تنتج بها بعض الأنسجة الحية المعادن لتصبح أكثر صلابة، مثل العظام.
وقال جانج: “كنا مهتمين جدًا بكيفية تحسين الخواص الميكانيكية للمواد العادية، مثل الزجاج، أثناء هيكلتها على مقياس النانو”.
واستخدم العلماء طبقة رقيقة جدًا من زجاج السيليكا، يبلغ سمكها حوالي 5 نانومتر فقط، أو بضع مئات من الذرات، لتغطية إطارات الحمض النووي، مما يترك المساحات الداخلية مفتوحة ويضمن أن تكون المادة الناتجة خفيفة للغاية. عند هذا النطاق الصغير، يكون الزجاج منيعًا ضد العيوب، مما يوفر قوة غير موجودة في قطع الزجاج الكبيرة حيث تتطور الشقوق وتتسبب في تحطمها. ومع ذلك، أراد الفريق أن يعرف بالضبط مدى قوة هذه المادة، والتي، على هذا النطاق، تتطلب معدات متخصصة للغاية.
القوة تحت الضغط
هناك طرق بسيطة للتحقق مما إذا كان هناك شيء صلب. غالبًا ما يوفر الوخز والدفع والاتكاء على الأسطح ومراقبة سلوكهم معلومات مفيدة. هل ينحني، أو يصدر صريرًا، أو يلتوي، أو يتمسك بقوة تحت الإكراه؟ هذه طريقة بسيطة ولكنها فعالة لفهم قوة جسم ما، حتى بدون أدوات لقياسه بدقة. ولكن كيف يمكنك الضغط على جسم صغير جدًا بحيث لا يمكن رؤيته؟
وأوضح ميشيلسون: “لقياس قوة هذه الهياكل الصغيرة، استخدمنا تقنية تسمى النانو”. “إن اختبار النانو هو اختبار ميكانيكي صغير الحجم يتم إجراؤه باستخدام أداة دقيقة قادرة على تطبيق وقياس القوى المقاومة. يبلغ سمك عيناتنا بضعة ميكرونات فقط، أي حوالي جزء من الألف من المليمتر، لذلك من المستحيل قياس هذه المواد بالوسائل التقليدية. باستخدام المجهر الإلكتروني والمسافة النانوية معًا، يمكننا قياس السلوك الميكانيكي ومراقبة عملية الضغط في نفس الوقت.
رسم بياني يقارن الشبكة النانوية من هذه التجربة بالقوة النسبية للمواد المختلفة. الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني
عندما يقوم الجهاز الصغير بضغط العينة أو وضعها في مسافة بادئة، يمكن للباحثين أخذ القياسات ومراقبة الخواص الميكانيكية. ويمكنهم بعد ذلك رؤية ما يحدث للمادة عند تحرير الضغط وعودة العينة إلى حالتها الأصلية. إذا تشكلت الشقوق أو فشل الهيكل في أي نقطة، يمكن تسجيل هذه البيانات القيمة.
وعند اختبارها، وجد أن شبكة الحمض النووي المغلفة بالزجاج أقوى بأربع مرات من الفولاذ! والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن كثافته كانت أقل بنحو خمس مرات. وعلى الرغم من وجود مواد قوية تعتبر خفيفة الوزن إلى حد ما، إلا أنه لم يتم الوصول إلى هذه الدرجة من قبل.
ومع ذلك، لم تكن هذه التقنية متاحة دائمًا في CFN.
وقال جانج: “لقد تعاونا مع سيوك وو لي، الأستاذ المشارك في جامعة كونيتيكت، والذي يتمتع بخبرة في الخواص الميكانيكية للمواد”. “لقد كان أحد مستخدمي CFN الذي استفاد من بعض قدراتنا ومواردنا، مثل المجاهر الإلكترونية، وهذه هي الطريقة التي طورنا بها العلاقة معه. في البداية لم تكن لدينا القدرة على اختراق النانو، لكنه قادنا إلى الأدوات الصحيحة ووضعنا على الطريق الصحيح. وهذا مثال آخر على كيفية استفادة العلماء في الأوساط الأكاديمية والمختبرات الوطنية من التعاون. لدينا الآن هذه الأدوات والخبرة اللازمة لإجراء دراسات مثل هذه إلى أبعد من ذلك.
بناء شيء جديد ومثير
Même s’il reste encore beaucoup de travail à faire avant de passer à l’échelle et de réfléchir à la myriade d’applications d’un tel matériau, les scientifiques des matériaux ont encore des raisons d’être enthousiasmés par ce que cela signifie للمستقبل. ويخطط الفريق للنظر في مواد أخرى، مثل سيراميك الكربيد، وهي أقوى من الزجاج، لمعرفة كيفية عملها وسلوكها. وهذا يمكن أن يؤدي إلى مواد أقوى وخفيفة الوزن في المستقبل.
على الرغم من أن حياته المهنية لا تزال في مراحلها الأولى، إلا أن مايكلسون قد أنجز الكثير بالفعل وهو حريص بالفعل على الانتقال إلى المراحل التالية من بحثه.
يتذكر ميشيلسون قائلاً: “إنها فرصة رائعة أن تكون باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر بروكهافن، خاصة بعد أن كنت طالبًا في جامعة كولومبيا وعملت في CFN كثيرًا”. “وهذا ما دفعني إلى متابعة دراسات ما بعد الدكتوراه هناك. إن القدرات التي نمتلكها في CFN، وخاصة في مجال التصوير، ساعدت حقًا في دفع عملي.
المرجع: “سيليكا خفيفة الوزن وعالية القوة مصنوعة بتقنية النانو” بقلم آرون ميشيلسون وتايلر جيه فلاناغان وسيوك وو لي وأوليج جانج، 27 يونيو 2023، تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.
دوى: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
