پژوهشگران با ارائه مدلی تازه از برهمکنش نانوذرات نشان دادهاند که مولکولهای مایع، نه صرفاً نیروهای بینمولکولی، نقش اصلی را در اتصال یا جدایی ذرات ایفا میکنند. این یافته که در نشریه معتبر Journal of the American Chemical Society منتشر شده، میتواند برداشت کلاسیک از مدل مشهور «قفل و کلید» را پس از بیش از ۱۳۰ سال دگرگون کند و افقهای تازهای را در طراحی نانومواد و سامانههای زیستی بگشاید.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران کشف کردهاند که هنگام نزدیک شدن نانوذرات، این مولکولهای مایع هستند که تعیین میکنند ذرات به هم بچسبند یا از هم دور شوند. حتی تغییر زاویهای بسیار کوچک میتواند این نیروی اتصال را بهطور کامل از بین ببرد. این یافته میتواند طراحی داروها، نانومواد و حسگرهای آینده را متحول کند.
مدل مشهور «قفل و کلید» که بیش از یک قرن پیش برای توضیح نحوه شناسایی مولکولهای زیستی ارائه شد، اکنون با یافتهای تازه وارد مرحلهای جدید شده است. پژوهشگران نشان دادهاند که در مقیاس نانو، تنها تطابق شکل دو سطح برای ایجاد اتصال کافی نیست؛ بلکه مولکولهای مایع میان آنها همانند رهبران یک ارکستر نامرئی، چگونگی شکلگیری یا از بین رفتن این اتصال را کنترل میکنند.
این پژوهش از دل پرسشی قدیمی شکل گرفت؛ پرسشی که سالها ذهن فیل گایسلر (Phil Geissler)، شیمیدان برجسته فیزیک، را به خود مشغول کرده بود. او مشاهده کرده بود هنگامی که لیگاندهای انعطافپذیر پوشاننده سطح یک نانوذره بهطور خودبهخودی آرایش بلوری پیدا میکنند، نیروی جاذبهای بسیار بزرگ میان نانوذرات ایجاد میشود؛ پدیدهای که توضیح آن با نظریههای رایج چندان آسان نبود.
سالها تصور غالب در جامعه علمی این بود که این افزایش جاذبه صرفاً نتیجه تقویت نیروهای واندروالسی میان زنجیرههای مولکولی است؛ زنجیرههایی که پس از منظم شدن، تماس نزدیکتری با یکدیگر برقرار میکنند. اما شبیهسازیهای گسترده دینامیک مولکولی که در مقیاسهای مختلف انجام شد، تصویری متفاوت را آشکار کرد. دادههای آماری نشان دادند که لیگاندها تنها بازیگران این صحنه نیستند، بلکه مولکولهای حلال نیز نقشی اساسی و تعیینکننده در این فرایند دارند.
نقطه عطف این پژوهش زمانی رقم خورد که گروه تحقیقاتی با آنگانگ دونگ (Angang Dong) همکاری خود را آغاز کرد. این گروه مجموعهای از نانوذرات مکعبی و منشورهای ششضلعی را با ابعادی در حد چند ده نانومتر سنتز کرده بود. اما بررسی این ساختارها با روشهای مرسوم شبیهسازی، بهدلیل نیاز به محاسبه رفتار تکتک مولکولهای مایع، به توان پردازشی بسیار فراتر از امکانات موجود نیاز داشت.
همین محدودیت پژوهشگران را وادار کرد تا بهجای مدلهای پیچیده، سامانهای سادهتر شامل دو صفحه موازی را بررسی کنند. نتیجه فراتر از انتظار بود. منحنیهای انرژی دیگر رفتار یکنواخت و قابل پیشبینی نداشتند، بلکه مجموعهای از نوسانهای منظم و کاهنده را نشان میدادند؛ الگویی که به امواجی در فضای بسیار باریک میان دو سطح شباهت داشت.
این رفتار یادآور پدیدهای شناختهشده در علم سطح بود که جیکوب اسرائیلاشویلی (Jacob Israelachvili) در دهه ۱۹۷۰ با استفاده از دستگاه اندازهگیری نیروهای سطحی آن را توصیف کرده بود.
هنگامی که فاصله میان دو سطح تنها چند مولکول باشد، مولکولهای مایع ناچار میشوند بهصورت لایههای مجزا و منظم میان آنها قرار گیرند. با نزدیکتر شدن سطوح، هر بار که یکی از این لایهها از میان شکاف خارج میشود، انرژی آزاد سامانه دچار نوسانی شدید خواهد شد.
با این حال، یک پرسش مهم همچنان بیپاسخ باقی مانده بود. اگر این نیروهای نوسانی تا این اندازه قدرتمند هستند، چرا نانوذرات در بسیاری از محلولها ماهها بدون چسبیدن به یکدیگر پایدار باقی میمانند؟
پاسخ در عاملی نهفته بود که تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته بود؛ زاویه قرارگیری دو سطح نسبت به یکدیگر.
پژوهشگران دریافتند که تنها با چرخاندن یکی از صفحات بهاندازه حدود دو درجه، تمام نوسانهای بزرگ انرژی تقریباً بهطور کامل ناپدید میشوند. این پدیده که «حذف همدوس» نام دارد، نشان میدهد هماهنگی موجی میان لایههای مایع بهسادگی از بین میرود.
بر پایه توسعه نسخه جدیدی از تقریب کلاسیک «دریاگین»، پژوهشگران توانستند مدلی نظری ارائه کنند که این رفتار را توضیح میدهد. هنگامی که دو سطح کاملاً موازی هستند، تمام نوسانهای ناشی از لایههای مایع با یکدیگر همفاز شده و نیروی جاذبه بسیار بزرگی ایجاد میکنند.
اما کافی است یکی از سطوح اندکی کج شود؛ در بخشی از فاصله میان دو سطح، خروج یک لایه مایع باعث ایجاد دافعه میشود و در بخش دیگر، ورود یک لایه تازه نیروی جاذبه ایجاد میکند. این دو اثر در نهایت یکدیگر را خنثی کرده و نیروی خالص تقریباً به صفر میرسد.
این حساسیت شگفتانگیز نسبت به زاویه و انحنای سطوح، پژوهشگران را به یاد مدل کلاسیک «قفل و کلید» انداخت؛ مدلی که امیل فیشر (Emil Fischer) در سال ۱۸۹۴ برای توضیح شناسایی اختصاصی مولکولهای زیستی ارائه کرده بود. در سالهای اخیر نیز پژوهشگرانی همچون دیوید پاین (David Pine) نشان داده بودند که ذراتی با شکلهای مکمل میتوانند همانند قطعات یک پازل در کنار هم قرار گیرند.
اما یافته جدید نشان میدهد که در مقیاس نانو، این فرایند بسیار پیچیدهتر از آن چیزی است که تاکنون تصور میشد. بهجای یک قفل و کلید ساده، طبیعت از نوعی «قفل و کلید موجی» استفاده میکند که عملکرد آن به هماهنگی کامل امواج ایجادشده توسط مولکولهای مایع وابسته است.
برای نمایش بهتر این مفهوم، پژوهشگران تصویری هنری از دنیایی زیر آب طراحی کردند. در این تصویر، ماهی بزرگی که صدف ناتیلوس را در بر گرفته، ستارههای دریایی که کاملاً بر یکدیگر منطبق شدهاند و خرچنگی که صدفی با شکل مناسب را در دست دارد، همگی نمونههایی از هماهنگی کامل هندسی هستند که از حذف همدوس جلوگیری کرده و اتصال محکمی ایجاد میکنند.
در مقابل، خرچنگ کوچکی که تلاش میکند صدفی نامتناسب را نگه دارد، بهدلیل اختلاف جزئی در انحنا، تمام نیروی اتصال را از دست میدهد؛ درست مانند وارد کردن رمز اشتباه به یک قفل دیجیتال.
این پژوهش در نهایت پاسخی تازه به معمای قدیمی گایسلر نیز ارائه میدهد. به باور پژوهشگران، سختتر شدن پوسته لیگاندها بهتنهایی باعث افزایش نیروهای بینمولکولی نمیشود، بلکه شرایطی ایدهآل برای هماهنگ شدن نوسانهای مولکولهای مایع فراهم میکند.
به نقل از نانو ایران، به بیان دیگر، مولکولهای حلال تنها محیطی منفعل برای واکنشهای شیمیایی نیستند، بلکه هدایتکنندگان اصلی برهمکنشها در جهان نانو محسوب میشوند؛ هدایتکنندگانی که با قوانین ظریف همدوسی موجی تعیین میکنند کدام ذرات به یکدیگر متصل شوند و کدامیک از هم فاصله بگیرند.
این کشف میتواند پیامدهای گستردهای برای طراحی نانومواد، دارورسانی هدفمند، ساخت حسگرهای زیستی، مهندسی کاتالیزورها و حتی درک بهتر سازوکارهای شناسایی مولکولی در سامانههای زنده به همراه داشته باشد؛ جایی که شاید نقش واقعی مولکولهای مایع تاکنون بسیار کمتر از آنچه شایسته بوده، مورد توجه قرار گرفته است.