ما هي النانوبوتات؟ فهم هيكل النانوبوتات وعملياتها واستخداماتها

مع تقدم التكنولوجيا ، لا تصبح الأشياء دائمًا أكبر وأفضل ، بل تصبح الأشياء أيضًا أصغر. في الواقع ، تعد التكنولوجيا النانوية واحدة من أسرع المجالات التكنولوجية نموًا ، وتقدر قيمتها بأكثر من تريليون دولار أمريكي ، ومن المتوقع أن تنمو بنسبة 17٪ خلال النصف العشر السنوات القادمة. النانوبوتات هي جزء رئيسي من مجال التكنولوجيا النانوية ، ولكن ما هي هذه النانوبوتات بالضبط وكيف تعمل؟ دعونا نلقي نظرة أقرب على النانوبوتات لفهم كيفية عمل هذه التكنولوجيا التحويلية وما هي استخداماتها.

ما هي النانوبوتات؟

يتمحور مجال التكنولوجيا النانوية حول البحث والتطوير للتكنولوجيا التي تبلغ حوالي 100 إلى 100 نانومتر في الحجم. لذلك ، تركز الروبوتات النانوية على إنشاء روبوتات تبلغ حوالي هذا الحجم. في الممارسة ، من الصعب هندسة أي شيء صغير مثل نانومتر واحد في الحجم ، وغالبًا ما يتم تطبيق مصطلح “الروبوتات النانوية” و “النانوبوت” على الأجهزة التي تبلغ حوالي 0.1 إلى 10 ميكرون في الحجم ، وهو حجم صغير للغاية.

من المهم ملاحظة أن مصطلح “الروبوت النانوي” يتم تطبيقه أحيانًا على الأجهزة التي تتفاعل مع الأجسام على مستوى النانو ، وتُعدل الأجسام على مستوى النانو. لذلك ، حتى لو كانت الجهاز نفسها أكبر ، فقد تُعتبر أداة روبوتية نانوية. سيتم التركيز في هذه المقالة على روبوتات النانو نفسها.

ما زال الكثير من مجال الروبوتات النانوية والنانوبوتات في المرحلة النظرية ، مع التركيز البحثي على حل مشاكل البناء على مثل هذا الحجم الصغير. ومع ذلك ، تم تصميم واختبار بعض النماذج الأولية من الآلات النانوية والمحركات النانوية.

تقع معظم الأجهزة الروبوتية النانوية الحالية في واحدة من أربعة فئات: مفاتيح ، ومحركات ، ومركبات ، وسيارات.

تعمل مفاتيح الروبوتات النانوية عن طريق التأثير من حالة “إيقاف” إلى حالة “تشغيل”. يتم استخدام العوامل البيئية لجعل الآلة تتغير شكلها ، وهو عملية تسمى التغيير الشكلي. يتم تعديل البيئة باستخدام عمليات مثل التفاعلات الكيميائية والأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحرارة ، وتتغير مفاتيح الروبوتات النانوية إلى أشكال مختلفة نتيجة لذلك ، وقادرة على إنجاز مهام محددة.

المحركات النانوية أكثر تعقيدًا من المفاتيح البسيطة ، وتستخدم الطاقة التي تتم إنشاؤها بواسطة تأثير التغيير الشكلي من أجل الحركة والتأثير على الجزيئات في البيئة المحيطة.

المركبات هي روبوتات نانوية قادرة على نقل المواد الكيميائية مثل الأدوية إلى مناطق محددة ومستهدفة. الهدف هو الجمع بين المركبات مع محركات الروبوتات النانوية بحيث تكون المركبات قادرة على درجة أكبر من الحركة من خلال البيئة.

السيارات النانوية هي أكثر الأجهزة النانوية تقدمًا في الوقت الحالي ، وقادرة على الحركة بشكل مستقل مع الإشارات من المحفزات الكيميائية أو الكهرومغناطيسية. تحتاج محركات السيارات النانوية إلى أن تتم التحكم فيها من أجل توجيه السيارة ، ويجري الباحثون تجارب مع طرق مختلفة للتحكم في الروبوتات النانوية.

يهدف باحثو الروبوتات النانوية إلى دمج هذه المكونات والتكنولوجيا المختلفة في أجهزة نانوية قادرة على إنجاز مهام معقدة ، يتم إنجازها بواسطة أسراب من الروبوتات النانوية تعمل معًا.

صورة: “مقارنة أحجام المواد النانوية مع المواد الأخرى الشائعة.” Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

كيف يتم إنشاء النانوبوتات؟

يقع مجال الروبوتات النانوية على تقاطع العديد من التخصصات ، ويتضمن إنشاء النانوبوتات إنشاء حساسات ، ومحركات ، ومفاتيح. يجب أيضًا إجراء نمذجة فيزيائية ، وكل هذا يجب أن يتم على مستوى النانو. كما ذكرنا أعلاه ، يتم استخدام أجهزة التلاعب النانوية لتجميع هذه الأجزاء على مستوى النانو وتعديل المكونات الاصطناعية أو البيولوجية ، بما في ذلك تعديل الخلايا والجزيئات.

يجب على مهندسي الروبوتات النانوية أن ي 해결وا العديد من المشاكل. يجب عليهم معالجة قضايا الإحساس ، والتحكم في القوة ، والاتصالات ، والتفاعلات بين المواد غير العضوية وال hữu cơ.

حجم النانوبوت يبلغ تقريبًا حجم الخلايا البيولوجية ، ونتيجة لذلك ، يمكن استخدام النانوبوتات في المستقبل في مجالات مثل الطب والحفاظ على البيئة / إصلاحها. معظم “النانوبوتات” الحالية هي مجرد جزيئات محددة تم تعديلها لتحقيق مهام معينة.

النانوبوتات المعقدة هي في الأساس جزيئات بسيطة متصلة ومتعديلة بالعمليات الكيميائية. على سبيل المثال ، تتكون بعض النانوبوتات من DNA ، وتحمل حمولات جزيئية.

كيف تعمل النانوبوتات؟

نظرًا للطبيعة النظرية للنانوبوتات ، يتم الإجابة على أسئلة حول كيفية عمل النانوبوتات بالتنبؤات بدلاً من الحقائق. من المحتمل أن تكون الاستخدامات الرئيسية الأولى للنانوبوتات في مجال الطب ، حيث تتحرك في جسم الإنسان وتنجز مهام مثل تشخيص الأمراض ، ومراقبة العوامل الحيوية ، وتسليم العلاجات. يجب على هذه النانوبوتات أن تكون قادرة على التنقل في جسم الإنسان والحركة من خلال الأنسجة مثل الأوعية الدموية.

الملاحة

فيما يتعلق بملاحة النانوبوت ، هناك العديد من التقنيات التي يجري باحثو النانوبوتات ومهندسوها التحقيق فيها. واحدة من طرق الملاحة هي استخدام الإشارات فوق الصوتية للكشف والتشغيل. يمكن للنانوبوت إرسال إشارات فوق صوتية يمكن تتبعها لتحديد موقع النانوبوتات ، ويمكن توجيهها إلى مناطق محددة باستخدام أداة خاصة توجيه حركتها. يمكن استخدام أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أيضًا لتتبع موقع النانوبوتات ، وقد أظهرت التجارب المبكرة باستخدام أجهزة MRI أن التكنولوجيا يمكن استخدامها لاكتشاف النانوبوتات و حتى توجيهها. تشمل طرق الكشف والمناورة الأخرى استخدام الأشعة السينية ، والميكروويف ، والأمواج الراديوية. في الوقت الحالي ، سيطرتنا على هذه الموجات على مستوى النانو محدودة للغاية ، لذلك يجب اختراع طرق جديدة لاستخدام هذه الموجات.

الأنظمة الملاحيّة والكشف الموصوفة أعلاه هي طرق خارجية ، تعتمد على استخدام الأدوات لتوجيه حركة النانوبوتات. مع إضافة حساسات على متن النانوبوتات ، يمكن أن تكون النانوبوتات أكثر استقلالية. على سبيل المثال ، يمكن أن تتيح الحساسات الكيميائية على متن النانوبوتات للروبوت مسح البيئة المحيطة والبحث عن علامات كيميائية معينة إلى منطقة مستهدفة.

القوة

فيما يتعلق بتزويد النانوبوتات بالطاقة ، هناك العديد من حلول الطاقة التي يجري باحثوها استكشافها. تشمل حلول الطاقة مصادر الطاقة الخارجية ومصادر الطاقة الداخلية / المحلية.

تشمل الحلول الداخلية للمصادر مولدات و مكثفات. يمكن لمولدات على متن النانوبوت استخدام الإلكتروليتات الموجودة في الدم لإنتاج الطاقة ، أو يمكن للنانوبوتات حتى أن تعمل باستخدام الدم المحيط كمحفز كيميائي ينتج طاقة عند الجمع مع مادة كيميائية يحملها النانوبوت. تعمل المكثفات بشكل مشابه للبطاريات ، وتخزين الطاقة الكهربائية التي يمكن استخدامها لدفع النانوبوت. تم النظر في خيارات أخرى مثل مصادر الطاقة النووية الصغيرة.

فيما يتعلق بمصادر الطاقة الخارجية ، يمكن استخدام أسلاك رفيعة وطويلة جدًا لتوصيل النانوبوتات بمصدر طاقة خارجي. يمكن تصنيع هذه الأسلاك من كابلات الألياف البصرية الصغيرة ، وإرسال نبضات ضوئية عبر الأسلاك ، ويمكن توليد الكهرباء الفعلية داخل النانوبوت.

تشمل حلول الطاقة الخارجية الأخرى المجالات المغناطيسية والإشارات فوق الصوتية. يمكن للنانوبوتات استخدام ما يسمى بغشاء بيزوإلكتروني ، وهو قادر على جمع الموجات فوق الصوتية وتحويلها إلى طاقة كهربائية. يمكن استخدام المجالات المغناطيسية لتوليد تيارات كهربائية داخل حلقة موصلة مغلقة على متن النانوبوت. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام المجال المغناطيسي لتوجيه اتجاه النانوبوت.

الحركة

معالجة مشكلة حركة النانوبوت تتطلب بعض الحلول المبتكرة. تحتاج النانوبوتات التي لا يتم ربطها أو لا تكون مجرد طفو في بيئتها إلى طريقة للحركة إلى مواقعها المستهدفة. سيتطلب نظام الدفع أن يكون قويًا ومستقرًا ، وقادرًا على دفع النانوبوت ضد التيارات في بيئته المحيطة ، مثل تدفق الدم. الحلول الدفع التي يتم التحقيق فيها غالبًا ما تكون مستوحاة من العالم الطبيعي ، حيث ينظر الباحثون إلى كيفية تحرك الكائنات الدقيقة من خلال بيئتها. على سبيل المثال ، غالبًا ما تستخدم الكائنات الدقيقة ذيول طويلة وخفيفة تسمى أ_flags_ لتوجيه نفسها ، أو تستخدم عددًا من الأطراف الشبيهة بالشعر تسمى _cilia_.

يجري الباحثون أيضًا تجارب لمنح الروبوتات أذرع صغيرة تشبه الأذرع يمكن أن تسمح للروبوت بالسباحة والقبض والزحف. في الوقت الحالي ، يتم التحكم في هذه الأذرع بواسطة مجالات مغناطيسية خارج الجسم ، حيث يؤدي القوة المغناطيسية إلى توجيه أذرع الروبوت للتذبذب. ميزة إضافية لهذه الطريقة في الحركة هي أن الطاقة الخاصة بها تأتي من مصدر خارجي. سيتعين جعل هذه التكنولوجيا أصغر لجعلها قابلة للتطبيق للنانوبوتات الحقيقية.

هناك استراتيجيات دفع أخرى أكثر اختراعًا قيد التحقيق. على سبيل المثال ، قد اقترح بعض الباحثين استخدام المكثفات لتصميم مضخة كهرومغناطيسية ستجذب السوائل الموصلية وستضخها ، مثل الجت ، مما يدفع النانوبوت إلى الأمام.

بغض النظر عن التطبيق النهائي للنانوبوتات ، يجب أن تحل مشاكل الملاحة والحركة والطاقة المذكورة أعلاه.

ما هي استخدامات النانوبوتات؟

كما ذكرنا ، من المحتمل أن تكون الاستخدامات الأولى للنانوبوتات في مجال الطب. يمكن استخدام النانوبوتات لمراقبة تلف الجسم ، وربما حتى تسهيل إصلاح هذا التلف. يمكن للنانوبوتات المستقبلية تسليم الأدوية مباشرة إلى الخلايا التي تحتاجها. في الوقت الحالي ، يتم تسليم الأدوية عن طريق الفم أو عن طريق الوريد وتنشر في جميع أنحاء الجسم بدلاً من ضرب المناطق المستهدفة فقط ، مما يسبب آثار جانبية. يمكن استخدام النانوبوتات المجهزة بالحساسات بسهولة لمراقبة التغيرات في مناطق الخلايا ، وتقديم تقارير عن التغيرات في أول علامة على الضرر أو العطل.

نحن لا تزال بعيدين عن هذه التطبيقات النظرية ، ولكن يتم إحراز تقدم دائمًا. على سبيل المثال ، في عام 2017 ، أنشأ العلماء نانوبوتات استهدفت الخلايا السرطانية وهاجمتها بثقوب صغيرة ، وقتلتها. في هذا العام ، صمم فريق من الباحثين من جامعة ITMO نانوبوتًا يتكون من قطع من الحمض النووي ، قادر على تدمير سلاسل الحمض النووي الممرضة. النانوبوتات المكونة من الحمض النووي قادرة حاليًا على نقل حمولة جزيئية ، والنانوبوت يتكون من ثلاثة أقسام من الحمض النووي ، ويتحرك ب “ساق” من الحمض النووي ، وينقل جزيئات محددة باستخدام “ذراع”.

خارج التطبيقات الطبية ، يجري إجراء بحث حول استخدام النانوبوتات لغرض تنظيف البيئة وإصلاحها. يمكن استخدام النانوبوتات بشكل محتمل لإزالة المعادن السامة و البلاستيك من الأجسام المائية. يمكن للنانوبوتات حمل مركبات تجعل المواد السامة غير نشطة عند الجمع بينها ، أو يمكن استخدامها لتكسير نفايات البلاستيك من خلال عمليات مماثلة. يجري إجراء بحث أيضًا على استخدام النانوبوتات لتسهيل إنتاج شرائح ومراقب كمبيوتر صغيرة جدًا ، بشكل أساسي باستخدام النانوبوتات لإنتاج دوائر كمبيوتر على مستوى المايكرو.