نقاط و سلول‌هاي کوانتمي

آن سلول را پيدا کن! چه کار مي‌کند؟ مي‌توانيم کنترلش کنيم؟ بله مي‌توانيم! به نقاط کوانتمي و پژوهشي که دکتر لين و رايکه در گروه دانشگاه واشنگتُن انجام دادند، همه‌ي اين موارد قابل دسترسي است. اين گروه نشان به‌صورت تجربي نشان داد که مي‌تواند سلول‌ها را شبيه سازي، رديابي و و با استفاده از نور يک حلقه‌ي نِروني درست کند. و همه‌ي مکاشفه و سوييچ زدن‌ها بدون دخالت در سلول به‌صورت ژنتيکي و شيميايي انجام شده است.

نِرون‌ها

نِرون‌ها سلول‌هايي هستند که در مقابل اختلاف پتانسيل عکس العمل آتشيني نشان مي‌دهند. معمولا اختلاف پتانسيل بين درون و بيرون نِرون ۰.۰۷- ولت است. که بار الکتريکي منفي درون سلول بيشتر از درون آن است. وقتي اختلاف پتانسيل بين بيرون و درون به ۰.۰۵۵- کاهش مي‌يابد، نِرون عکس‌العمل نشان مي‌دهد. در همين حين باز شدن کانال‌هايي باز مي‌شوند که بين بيرون و درون ارتباط برقرار مي‌شود، و يون‌هاي سديم (+Na) بيرون از سلول و يون‌هاي پتاسيم (+K) درون آن پمپ مي‌شوند. گاهي يون کلرايد (-Cl) هم منتقل مي‌شود.

نِرون‌ها معمولاً با نسبت مشخصي بار را منتقل مي‌کنند: به ازاي هر سه يون سديم، ۲ يون پتاسيم هم پمپ خواهند شد. اين انتقال يون مثبت سديم و پتاسيم، تا زماني ادامه پيدا مي‌کند که اختلاف پتانسيل سکون آن دوباره به ۰.۰۷- برسد. مطالعات قبلي نشان داده که نور مي‌تواند اين نُرون‌هاي شليک شده را کنترل کند. ولي در آن بررسي‌ها سلول با مولکول حساس به نور تغيير مي‌کند. اين مولکول‌ها روي سطح سلول‌هاي نِروني هستند که مدنظر ماست. و همين مولکول‌ها هستند که نقش کانال را بازي مي‌کنند.

نقاط کوانتمي

 پژوهش‌هاي نقاط کوانتمي در دهه ۱۹۸۰ شروع شد. اين نقاط تعداد کمي از نانوذرات نيمه‌رساناها هستند، که اندازه‌شان روي انرژي ترازهاي مُجاز ماده اثر مي‌گذارد. الکترون‌هاي ماده معمولاً در پايين‌ترين تراز انرژي به‌نام «ظرفيت» (والانس که در شيمي‌دانان از اين کلمه هر روز استفاده مي‌کنند)، قرار مي‌گيرند. وقتي الکترون انرژي مي‌گيرد، برانگيخته شده به تراز بالاتر مي‌رود. به اين تراز «باند رسانش» مي‌‌گوييم. و در همين زمان است که يک جاي خالي به‌نام «حفره» ايجاد مي‌شود. وقتي الکترون به تراز پايين‌تر يعني همان ظرفيت برمي‌گردد، تابش گسيل مي‌کند. ولي اين ترازهاي ظرفيت و رسانش چقدر از هم فاصله دارند؟ 

پاسخ اين است که بستگي به اندازه‌ي ذره دارد. اندازه‌ي ذره آنچه به‌نام «محدوده‌ي باند» (Confinement Band) شناخته شده، را کنترل مي‌کند (شکل ۱). اين بدان معناست که اندازه‌ي ذره مي‌تواند براي کنترل اختلاف انواع گسيل‌ها و جذب‌هاي نوري ذرات مورد استفاده قرار گيرد. نقاط کوانتمي براي اين به‌ وجود مي‌آيند که نور فرابنفش را جذب و همه‌ي رنگ‌هاي رنگين کمان (طيف مرئي الکترومغناطيس) را بسته به اندازه‌شان گسيل کنند.

در واقع اين رنگ‌هايي که در تصويرها هم مي‌بينيد، نشان از طول موج و طول موج نشان از اندازه‌ي آن ذره يا همان نقاط کوانتمي دارد. ولي چه چيزي باعث شليک شدن نِرون‌ها مي‌شود؟ وقتي يک نقطه کوانتمي با نوري که به آن تابيده مي‌شود، برانگيخته شد، قطبيده شده و بخشي از ماده بيشتر و بخش ديگر کمتر بار منفي دارد. به عبارتي بخشي بار منفي بيشتر و بخشي ديگر بار مثبت بيشتر دارد. در نتيجه يک ميدان الکتريکي توليد مي‌شود که با نِرون‌ يا سلول مشابه ديگري اندرکنش خواهد داشت. اينکه اين اندرکنش چقدر مي‌تواند قوي باشد، بستگي به کانال يوني غشاء سلولي دارد. اگر ميدان را نقاط کوانتمي ايجاد کنند، به اندازه کافي قوي است که بتواند محرک کانال‌هاي يوني براي باز کردن يا انتقال به بيرون يا درون يک سلول باشد. براي يک نِرون، اين فرايند شليک آتشين يا سوييچ شدن محسوب مي‌شود. 

 دکتر لين و دکتر رايکه ايده‌هاي خودشان را بيرون از بدن مورد آزمون قرار دادند. آن‌ها سلول‌هاي سرطاني و نِرون‌هاي اطراف را در آزمايشگاه و قرار دادن نقاط کوانتمي در کنارشان رشد دادند. سپس وقتي نقاط کوانتمي انرژي جذب کردند و قطبي شدند، سيگنال‌هاي الکتريکي غشاء سلولي را اندازه مي‌گيرند. اين پژوهشگران يک فيلم از نقاط کوانتمي تلورايد کلسيم را نزديک سلول‌هاي سرطاني آزمايش کردند. در اين حالت دريافتند که سلول‌هاي سرطان پروستات، در زمان ايجاد کانال از سلول‌ها تا نقاط کوانتمي، عملاً سلول‌هايي نجات يافته‌اند.

قطبش ار طريق منبع نوري عنصر جيوه حاصل شد. فيلم نقاط کوانتمي کادميوم و سلول‌هاي نِروني بوجود آمدند و روي فيلم کاشت شدند. [اين روش کاشت در فيزيک حالت جامد کاربرد دارد.] وقتي نور سبز به نقاط کوانتمي برخورد کرد، انرژي را جذب کرده و قطبيده شدند. سلول‌هاي نِروني مجاور غيرقطبي شدند، شليک شده و پس از مدتي دوباره با باز شدن کانال‌هاي سديم و پتاسيم در غشاء هايشان، قطبي شدند.

پژوهشگران متوجه شدند تعدادي از سلول‌ها مانند بقيه آن سيگنال را مثل بقيه شليک نمي‌کنند. بعضي‌ها اَبَرقطبيده شدند! يعني با انتقال يون‌هاي بزرگتر، پتانسيل‌هاي منفي بيشتري نسبت به يون‌ها در غشاء سلولي بوجود آمدند.

اين تيم بر اين باورند که سلامتي سلول‌هاي نِروني با سلنيم کادميُم سازگاري داشته باشند و آن‌ها را تسويه کنند. در نتيجه محيط سالم‌تري را مجاور خود با اين روش کاشت سلولي و نقاط کوانتمي تجربه کنند. اين کار براي مقابله با گسترش بيماري‌ها بسيار مي‌تواند کاربردي و مهم باشد. نقاط کوانتمي در کامپيوترهاي کوانتمي و مانيتورهاي ساخت آينده، ليزرها و روشنايي هم کاربرد دارند.

H.M. Doss

مقالات مرتبط:

نقاط کوانتمي و اتلاف انرژي

نقاط کوانتمي چيستند؟