آيا حرکتهاي جنبشي بلورها، به معناي زنده بودن آنهاست؟
يک باکتريم، با امثال خودش که در نزديک آن قرار دارند، يک گروه تشکيل داده و کلوني زنده تشکيل مي‌دهند، ولي غيرزنده‌ها چطور؟ پژوهشگران اخيراً بلورهايي را کشف کرده‌اند که کلوني‌هاي مشابهي تشکيل مي‌دهند وقتي در يک گستره مشخص نوري روي آنها مي‌اندازيم. ولي وقتي نوري در کار نيست، کلوني‌ها شکسته مي‌شوند. زنده است! خُب نه دقيقاً.
بلورهاي خود ترکيب
فيزيکدانان دانشگاه نيويورک و يک دانشجو از دانشگاه براندايس، روي يک پروژه تابستانه کار کردند از که رفتار عجيب بلورها را که همان رفتار موجودات زنده بود، پرده برداشتند. اين ذرات خود ترکيب شونده کلوئيدي، تحت شرايط خاصي به به کلوني‌هايي تبديل مي‌شوند که شبيه کلوني‌هاي باکتري‌ها، حشرات و يا دسته پرندگان هستند. يک ذره‌ي کلوئيدي، ذره‌ايست که از قيدهاي شيميايي با ديگر ذرات درست نشده است. بلکه بين ذرات يک ماده ديگر معلق مي‌ماند. اغلب، اين ماده‌ي نگه‌دارنده‌ي ذرات کلوئيدي يک مايع است، ولي مي‌تواند گاز، يا حتي جامد باشد. براي مثال، شير ذرات کلوئيدي دارد. مولکول‌هاي روغن شير درون مايع معلق مي‌مانند، و از ميکروسکوپ هم ديده مي‌شوند.
| ذرات کلوئيدي مورد استفاده، از دو نوع ماده بودند: کره‌هاي پليمري تشکيل شده از ۳-متاکريلوکسي‌پروپيل ترمتوکسيلِين (methacryloxyporpyl trimethoxysilane )؛ يا به‌طور خلاصه TPM که بيشتر مکعب هماتيت آنتي‌فرومغناطيس را در کپسول قرار مي‌کنند. تحت شرايط عادي نوري و يا در تاريکي، اين ذرات حرکت رندومي ناشي از بمباران اتم‌ها و مولکول‌هاي سيال (گاز يا مايع) دارند. حرکت براوني اين حرکت رندومي ذرات را برحسب زمان توضيح مي‌دهد. رابرت براون اين ايده را جا انداخت که ديدن گرده‌هاي ذرات در آب زير ميکروسکوپ يکي از روش‌هاي ديدن آنهاست. او حرکت اين ذرات را ديد، ولي نتوانست نشان دهد چرا اين نوع حرکت را دارند. |
Image Credit: Kazem Edmond and Stefano Sacanna/NYU Center for Soft Matter Research
|
 |
بعداً براون متوجه شد که حرکت ذرات آب و اندرکنش آنها با گرده‌هاي ذرات مذکور، اين نوع حرکت را بوجود آورده است. مولکول‌هاي آب با حرکت گرمايي جابه جا مي‌شدند. حرکت رندومي ذرات در دماهاي بالاي صفر مطلق انجام مي‌شود. براي مثال، ذره غباري در هوا را در نظر بگيريد. مولکول‌هاي هوا بصورت رندومي حرکت مي‌کنند، در شبيه سازي (شکل انيمشين) هم مي‌بينيد.
Image Credit: Francisco Esquembre, Fu-Kwun and lookang
|
تصوير از مقاله اصلي مستقل بوده و به مفهوم نظريه جنبشي پرداخته که يکي از دلايل جايزه نوبل آينشتاين بود.
پژوهشگران زماني حرکت برواني را مشاهده کردند که ذرات کلوئيدي در محلول پروکسيد هيدروژن (H2O2) بودند، و با نور معمولي نوردهي شدند. در اين حالت ذرات کلوئيدي و محلول اطرافشان در تعادل هستند. وقتي نور آبي-بنفش اين سيستم فيزيکي، نوردهي مي‌شود، ذرات کلوئيدي خود-رانش پيدا مي‌کنند، در ۲۵ ثانيه بعد از نوردهي مذکور، کلوني تشکيل مي‌دهند. اگر به صورت ناگهاني به همديگر جذب شوند، به اين کلوني شدن ادامه مي‌دهند تا زماني که همه ذرات در اين گروه جاي گيرند، ولي اين اتفاق در پژوهش‌ها ديده نشد.
حتي بعد از گروهي شدن ذرات کلوئيدي و تبديل به ساختار بلوري، همچنان به اطراف حرکت مي‌کردند، مي‌چرخيدند، منتقل مي‌شدند و کلوني خود را تغيير مي‌دادند. کلوني‌هاي متعددي شکل گرفت، چرخيدند، منتقل شدند و کلوني تشکيل دادند و برخورد کردند. پس اين سيستم يک سيستم کاملاً جاذب نيست. اگر اينطور بود، در طول زمان دور هم جمع مي‌شدند. متوسط اندازه‌ي هر کلوني حدود ۳۵ ذره بود، و زمان متوسط براي تغيير اندازه کلوني حدود ۵۰ درصد حدود ۱۰۰+/- ۷۵ ثانيه است. وقتي نور آبي-بنفش خاموش شد، ذرات دوباره کلوني شدند و حرکت براوني را شروع کردند.
دو نوع جاذب
براي کشف انگيزه‌ي پشت اين کلوني شدن زير نور آبي-بنفش، پژوهشگران هر فلز را از زوج ماده کلوئيدي جدا از هم مورد بررسي قرار دادند. آنها مکعب‌هاي هماتيت (سنگ آهن) را به يک سطح چسباندند و در محلول کره‌هاي پليمري قراردادند. وقتي نور بنفش و-آبي تاباندند، کره‌ها همگي از همه جهت‌ها به سمت هماتيت حرکت کردند. حالا فيزيکدانان مي‌خواهند بدانند چرا؟ وقتي هماتيت در محلول H2O2 قرار مي‌گيرد و با نور مورد هدف قرار مي‌گيرد، تجزيه پروکسيد هيدروژن سريع‌تر مي‌شود. اين واگنش شيميايي دو مسئله دارد: ترکيب شيميايي سيال اطراف هماتيت را تغيير داده و انرژي گرمايي را به محيط منتقل مي‌کند، و دماي موضعي سيال را بالا مي‌برد.
پژوهشگران دريافتند که اختلاف ترکيب شيميايي تأثيريافته از حرکت کره‌هاي پليمر بيش از اختلاف دماست. اساساً انتقال انرژي از واکنش شيميايي به کره‌ها، که ناشي از حرکتشان و جاذبه‌شان بوده است. فيزيکدانان اين مسئله را به اختلاف ترکيب شيميايي به معناي تغيير چگالش، و تغيير نهايي در حرکت ذرات معروف به diffusiophoresis مي‌دانند. تغييرات دما-محور در حرکت thermophoresis ناميده مي‌شود. اندرکنش جاذبه‌ي کمي ناشي از هردو مورد بوده که در ساختار تکرارشونده بلوري جمع مي‌آيند. پژوهش‌هاي آينده و توسعه بنا به نظر جِرِمي پالاچي، يکي از پژوهشگران اين تيم، اين بلورهاي خودسازنده که مي‌توانند با يک کليد کنترل شوند، مي‌توانند براي بررسي موارد متعددي مورد استفاده قرار گيرند. پالاچي مي‌گويد:«در بخش بنيادي، زاويه جديدي بر ضرورت جمع آوري اثرات اين ذرات فعال باز مي‌شود.» پالاچي مثال مي‌زند که چنين توانايي، اثرات ديگري را دوباره کنار هم مي‌آورد که در طبيعت ديده‌ايم؛ مثل دسته پرندگان يا ماهي‌ها. فيزيکدانان مي‌توانند اين اثرات را با استفاده از سيستم مينياتوري در فيزيک بازتوليد کنند. وي مثال‌هايي هم از کاربردهاي چنين اثري مي‌زند. مواد هوشمند، که ذرات مي‌توانند همزمان زير نور به ساختارهاي بلوري خودبه خود تبديل شوند، و همينطور موادي که با نوردهي تغييرات کُلي مي‌کنند (مکانيکي، رنگ و غيره). پالاچي اشاره کند که وقتي اين اثر بازگشت‌پذير باشد، مي‌توانيد مواد بازتوليد درست کند.