ماشینهای آینده با موتورهای نانویی روشن می‌شوند

روزی را تصور کنید که بشر به دانش مورد نیاز برای طراحی و ساخت خودروها، هواپیماها و زیردریایی‌هایی به کوچکی باکتری یا مولکول‌ها دست یافته باشد و یا جراحان رباتیکی میکروسکوپی که به صورت تزریقی وارد بدن می‌شوند می‌توانند علل اصلی شکل‌گیری و توسعه عوامل بیماریزا را شناسایی و از کار بیندازند. باز هم می‌توانید نانو ماشین‌ها و این بار ریز ربات‌هایی را در نظر بیاورید که با برخورداری از مشخصه‌هایی خاص در ابعاد نانومتریکی، این توانایی را دارند که به میله‌های فولادی پل‌ها یا بال هواپیماها نفوذ کرده و شکاف‌های غیرقابل روِیت با چشم غیرمسلح را پیش از آن‌که به فاجعه‌ای دردناک نظیر انفجار فضاپیماهای کلمبیا و چلنجر منتهی شود، شناسایی و‌ترمیم کنند.

کد خبر: ۲۸۱۵۴۷

در سال‌های اخیر شیمیدان‌ها آرایه‌هایی مبتنی بر ساختارهای مولکولی منحصربه‌فردی را ارائه کرده‌اند که می‌توان از آنها به عنوان بخش‌های مهمی‌از ریز ماشین آلات رباتیکی نام برد. «جیمز تور» و تیم همراهش در دانشگاه رایس از جمله محققان پیشرو در این زمینه به شمار می‌آیند. آنها موفق به ارائه خودروی مولکولی شده‌اند که برای قسمت چرخ‌های آن از مولکول‌های کربنی کروی شکلی استفاده شده است که ابعادی حدود 5 هزار بار کوچک‌تر از سلول انسانی دارند.

اما اگر نگاهی به داخل کاپوت چنین خودروی نانویی بیاندازید هیچ اثری از یک موتور نخواهید دید. در واقع خودروهای نانویی جیمز تور صرفا تا جایی حرکت می‌کنند که به صورت تصادفی برخوردهایی با مولکول‌های اطرافشان داشته باشند. این فرآیندی است که از آن به «حرکت براونی» یاد می‌شود. با این حال اکنون به بزرگ‌ترین چالشی که فراروی فناوری طراحی و ساخت ماشین‌های مولکولی قرار دارد می‌رسیم: ما می‌دانیم که چگونه آنها را بسازیم اما هنوز نمی‌دانیم که چگونه آنها را راه‌اندازی کنیم.

زمانی که با ابعاد بسیار کوچک نظیر سلول‌های زنده سر و کار داریم، این چالش رنگ و بوی جدی‌تری به خود می‌گیرد. در چنین محیطی هوا و آب همچون شیره غلیظ به حساب آمده و در چنین وضعیتی است که حرکت براونی برخلاف مولکول‌های واردکننده نیرو در جهت‌هایی مشخص عمل می‌کند. در چنین شرایطی نسخه‌های نانویی موتورهای نظیر آنهایی که خودروها یا حتی سشوارها را راه‌اندازی می‌کنند هرگز نمی‌توانند روشن شوند و از این رو باید فکر استفاده از آنها را نیز از سر خارج کرد.

اما در نقطه مقابل طبیعت مثال‌های متعددی از موتورهای نانویی را در اختیار ما قرار می‌دهد. برای دیدن اعمالی که آنها قابلیت انجامشان را دارند تنها باید نگاهی به یک سلولی زنده انداخت. چنین سلولی برای تغییر شکل، جداسازی کروموزوم‌ها در زمان تقسیم شدن، تولید پروتئین، جذب مواد مغذی، انتقال مواد شیمیایی و نظایر آن از نانوموتورها استفاده می‌کند. تمامی‌این موتورها و همچنین آنهایی که انقباضات ماهیچهای را موجب می‌شوند مبتنی بر اصل مشابهی هستند: آنها انرژی شیمیایی که معمولا به عنوان آدنوزین‌تری فسفات یاATP ذخیره می‌شود ‌ را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند و البته تمامی ‌آنها از کاتالیزورها استفاده می‌کنند. کاتالیزورها‌ترکیباتی هستند که فعل و انفعالات شیمیایی نظیر خرد شدنATP را تسهیل می‌کنند. محققان اکنون و با استفاده از اصل و اساس مشابهی، در مسیر پیشرفت‌های هیجان انگیزی به سوی ساخت نانوموتورهای مصنوعی قرار دارند.

در سال 2004 گروهی از دانشمندان در دانشگاه پنسیلوانیا موتورهای نانویی ساده‌ای ساختند که انرژی ذخیره شده در مولکول‌های سوختی را به حرکت تبدیل می‌کرد. در کنار چنین دستاورد ابتدایی اما مهم، محققان از موتور بزرگ‌تری نیز الهام گرفتند که به صورت تحریکی (قرار گرفتن در مجاورت سلول‌ها و مولکول‌های مجاور) حرکت می‌کرد. این دستاورد نیز در سال 2002 و از سوی رستم اسماگیلف و جورج واتیساید، هر‌دو از دانشگاه‌هاروارد ارائه شد. آنها دریافته بودند که قایق‌هایی در ابعاد تنها چند سانتیمتر که به نوارهای پلاتینیومی‌ تحریک کننده‌ای مجهز هستند می‌توانند به صورت خودکار بر روی سطح آب و پروکسید هیدروژن(2O2)H حرکت کنند. در این وضعیت پلاتینیوم شکسته شده و تجزیه2O2H به اکسیژن و آب را تسریع می‌بخشد و به دنبال آن حباب‌های اکسیژنی شکل می‌گیرند که به نظر می‌رسد به صورت ضربه‌ای، قایق را به جلو به پیش می‌برد. این دقیقا مشابه همان فرآیندی است که در انتهای راکت‌ها دیده می‌شود.

کوچک‌سازی قابل باور

نسخه بسیار کوچک موتور ساخته شده در دانشگاه‌هاروارد در حقیقت میله‌ای از جنس طلا و پلاتینیوم و به طول یک سلول باکتریایی (دو‌‌‌میکرون ) و عرض 350 نانومتر بود. البته محققان به جای قرار دادن در سطح محلول آب و پروکسید هیدروژن، آنها را در عمق محلول قرار دادند. همچون موتورهای مولکولی که با استفاده ازATP قدرت گرفته و در درون سلول حرکت می‌کنند، این ریز سیلندرها نیز در عمق سوخت مورد نیازشان قرار گرفتند. نتیجه این تلاش در نوع خود هیجان‌انگیز بود. آنها نه تنها می‌توانستند به صورت خودکار کار کنند‌ آن هم با سرعت 10‌‌میکرون بر ثانیه به طرز خیره‌کننده نیز در زیر میکروسکوپ به باکتریهای زنده شناگر شباهت داشتند.

همان‌طور که غالبا در دنیای علم روی می‌دهد، فرضیه‌هایی که به تجربه و آزمایش منجر می‌شوند ممکن است غلط از آب درآیند. محققان پیش از آن تصور کرده بودند که میله‌های نانویی ریز حباب‌هایی را از انتهای خود به بیرون فوران داده و همزمان با دفع نیرو به جلو حرکت می‌کنند. اما آنچه که آنها انجام می‌دادند حقیقتا از جذابیت و هیجان بیشتری برخوردار بود. زیرا این نکته را به یاد محققان عرصه فناوری نانو می‌رساند که در خصوص حرکت در ابعاد بسیار کوچک، باید نگاه کاملا متفاوتی در زمینه چگونگی آن داشته باشند.

در ابعاد کلان مفهوم بازپس زدن به عقب برای تأمین انرژی حرکتی منطقی و کاملا کاربردی به نظر می‌رسد. زمانی که شخصی شنا می‌کند یا با استفاده از پارو، قایقی را به جلو حرکت می‌دهد، بازوها و پاها و همچنین پاروها آب را به عقب هدایت می‌کنند و در نتیجه نیروی ایجاد شده بدن شناگر یا قایق را به جلو می‌راند. در این فرآیند شناگر یا قایق می‌توانند در صورتی که پس زدن آب به عقب نیز متوقف شود کمی ‌به سمت جلو سر بخورند که البته میزان سر خوردن در این فرآیند به عوامل مختلفی نظیر سرعت و شتاب اولیه، کشش و مقاومت بدن شناگر یا بدنه قایق بستگی دارد. در این میان کشش با پهنای شیء یا بدن ورزشکار در یک تناسب معمولی قرار دارد و این درحالی است که اینرسی نیز با توده شیء یا بدن ورزشکار در تناسب است.

در زمینه راه‌اندازی و انتقال قدرت به نانو ماشین‌ها ایده‌های متنوعی مطرح شده است. یکی از این موارد از سوی دکتر اورلین ولو و تیم همراهش از دانشگاه کارولینای شمالی ارائه شده است. این محققان به تازگی نشان داده‌اند که چگونه می‌توان اجرام مختلف را در مایعات بدون استفاده از هیچ‌گونه سوختی به جلو راند. سازه‌های قایق گونه این محققان شامل یک دیود است. این وسیله به جریان‌های الکتریکی این امکان را می‌دهد تا صرفا در یک جهت جریان داشته باشند.

این محققان برای عملی کردن ایده خود به سراغ میدان الکتریکی جایگزینی رفتند. در مجاورت این سازه قایق شکل، دیود یاد شده میدان الکتریکی جایگزین را به میدانی استاتیک و ثابت تبدیل می‌کند. این میدان ثابت نیروی خالصی را تولید می‌کند که انرژی مورد نیاز برای حرکت رانشی قایق را فراهم می‌کند. البته به لطف پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه فناوری‌تراشه‌های رایانه‌ای، اکنون این امکان فراهم شده است که دیودهایی در ابعاد میکرون نیز ساخته شود تا فرآیند طراحی، ساخت و راه‌اندازی ماشین آلات نانویی به سادگی بیشتری همراه باشد.

تاریخچه نانو ماشین‌ها

دانشمندان و نویسندگان آثار علمی‌و تخیلی از سال 1959 میلادی به این سو به ایده ماشین‌آلات بسیار ریزی که با چشم غیرمسلح قابل دیدن نیستند پرداخته‌اند و این زمانی بود که فیزیکدان سرشناسی نظیر ریچارد فیمان درخصوص ابعاد مولکولی و طیف بسیار گسترده ای از سازه‌ها که در این ابعاد می‌توان ساخت، ایده‌ها و نظریه‌های جالب توجهی را مطرح کرد. او معتقد بود که بشر و دانش نوین بشری نباید خود را به ابعاد کلان و قابل روِیت محدود کند و چه بسا در ابعاد بسیار کوچک نظیر دنیای میکرون و نانو می‌توان سازه‌هایی با قابلیت‌های مشابه آن چیزی که در دنیای کلان وجود دارد ارائه کرد. او حتی این پیشنهاد را نیز مطرح کرده بود که به زودی خط تولید انبوه ریز ماشین آلات با هدف به‌کارگیری در صنایع مختلف راه‌اندازی شود. به عقیده بسیاری از دانشمندان عصر حاضر، ایده‌ها و سخنرانی‌های فیمان و تداوم آنها زمینه ساز تحقیقات گسترده در عرصه فناوری نانو بوده است. خیلی زود نگرش دانشمندان به دنیای سلول‌های زنده و ابعاد بسیار ریز آن صرفا از آنزیم‌های حامل واکنش‌های متابولیکی تغییر جهت داده و به سوی عرصه‌های متنوع‌تری همچون ساخت دقیق‌ترین ساعت‌های سوئیسی پیش رفت که در آنها از نانوموتورها استفاده شده است. از این رو گفته می‌شود که در دیدگاه فیمان، سلول‌ها به عنوان کارخانه‌های مولکولی در نظر گرفته می‌شدند.

ایده‌های متنوع برای راه‌اندازی نانو موتورها

البته مقوله راه‌اندازی نانوموتورها و چالش‌های فرا روی، محققان را بر آن داشته تا تنوع گسترده ای را نیز در نگرش کلی خود به این مقوله داشته باشند. به عنوان مثال روی آوردن به انرژی خورشیدی از جمله این تنوعات بوده است. به تازگی گروهی از محققان بین‌المللی موفق شده‌اند تا نخستین موتور مولکولی خورشیدی جهان را ارائه کنند. این دستاورد جدید با همکاری محققانی از دانشگاه‌های بولونیا و کالیفرنیا ارائه شده است. محققان این پروژه می‌گویند:‌ از این موتور که همانند پیستون حرکاتی به جلو و عقب دارد، می‌توان در خواندن اطلاعاتی که به صورت صفر و یک هستند کمک گرفت. به عنوان مثال می‌توان از این موتور در الکترونیک و فوتونیک مولکولی که به سرعت رو‌‌به‌رشد است برای ساخت رایانه‌های شیمیایی بهره برد. همچنین این موتورها می‌توانند به عنوان نانوشیرهایی که سطوح نانوذرات متخلخل سیلیسیومی‌ را می‌پوشانند، عمل کنند.بدین‌ترتیب دانشمندان می‌توانند با استفاده از نور، این تخلخل‌ها را از نانوذرات مولکول‌های مختلفی همچون داروهای ضدسرطان خالی و یا پرکنند.

این نانوماشین شبیه دمبلی به طول تقریبی 6‌‌‌نانومتر است که حلقه‌ای به پنهای 3/1 نانومتر در اطراف میله آن قرار گرفته است. این حلقه می‌تواند در طول میله دمبل حرکت کند ولی نمی‌تواند از متوقف کننده‌های توده‌ای دو انتهای آن رد شود. دو نقطه روی این شکل دمبلی وجود دارد که حلقه بیشتر در آن نقاط قرار می‌گیرد. وقتی یکی از دو انتهای دمبل نور خورشید را جذب می‌کند، الکترونی را به یکی از این دو نقطه انتقال می‌دهد و حلقه را به آن نقطه می‌کشد و سپس با یک چرخش به وضعیت دیگر برمی‌گردد. پس از آن که الکترون دوباره به سر دمبل برگردد، حلقه نیز به محل سابق خود باز می‌گردد و همچنین چرخه مجددا تکرار می‌شود.

در کنار این دستاوردها، پروژه جالب توجه دیگری نیز به عنوان یکی از گام‌های چشمگیر در زمینه فناوری راه‌اندازی موتورها و سازه‌های نانویی به چشم می‌آید و آن چیزی نیست جز ساخت نانوماشین‌هایی که به موتور‌های آنزیمی ‌مجهز هستند. این پروژه از سوی محققان هلندی انجام شده است. آنها موفق به حرکت دادن نانولوله‌ها با استفاده از موتور‌های آنزیمی‌‌شده‌اند و می‌گویند می‌توان از آنها با اهداف گوناگون و متنوعی از جمله حرکت دادن درون بدن استفاده کرد. در این فناوری نوین گاز اکسیژن تولید شده از واکنش‌های آنزیمی‌سبب حرکت نانولوله‌کربنی می‌شود. از سوی دیگر گروهی از محققان اسپانیایی موفق شده‌اند اولین موتور نانویی که حرکات خود را با تغییرات گرمایی کنترل می‌کند را بسازند. گفته می‌شود این ایده جدید می‌تواند بخشی از گره کور چگونگی راه‌اندازی موتورهای نانویی را باز کند. این دانشمندان در خصوص این نانوموتور توضیح دادند: این انتقال دهنده نانویی متشکل از یک نانو‌لوله کربنی (یک مولکول استوانه ای از جنس اتم‌های کربن) است که با نانو لوله هم محور کوچک‌تری که می‌تواند به عقب و جلو حرکت کند پوشیده شده است. به این موتور نانویی می‌توان محموله‌ای را اضافه و سپس این محموله را از یک نقطه به نقطه دیگر حمل کرد. جنبه نوآورانه این دستگاه نانویی در امکان کنترل حرکات این ماشین با تغییرات و تفاوت‌های گرمایی است. در حقیقت این موتور نانویی می‌تواند حرکات خود را با استفاده از تفاوت‌های گرمایی در دو انتهای طول نانو لوله کنترل کند. در این نوآوری، نانو لوله کربنی از منطقه گرم‌تر به منطقه سردتر حرکت می‌کند. این عملکرد شبیه به روش جرم هوا است که از محیط گرم به محیط سرد منتقل می‌شود. در این ماشین می‌توان طول حرکات را در نانو لوله‌هایی در ابعاد بزرگ‌تر، با دقت کمتر از قطر یک اتم کنترل کرد.

به نظر می‌رسد این پیشرفت‌ها همزمان با توسعه فناوری‌های مرتبط شتاب خیره‌کننده‌ای پیدا کرده باشند و از این رو می‌توان پیش‌بینی کرد که در دهه پیش رو دیگر به چگونگی راه‌اندازی موتورهای نانویی به عنوان یک مساله و سد علمی‌ نگریسته نشود.