از هرج و مرج تا ماده نرم «هوشمند» - چگونه تفاوت‌های شیمیایی کوچک قطرات را به ساختارهای منظم هدایت می‌کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اختلال می تواند منطقی باشد و درک منطق آن می تواند واقعا مفید باشد. مطالعه‌ای توسط یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه ترنتو نشان می‌دهد که چگونه یک تفاوت شیمیایی حداقلی می‌تواند حرکت آشفته و بی‌نظم را به یک ساختار بسیار هماهنگ و قابل تکرار تبدیل کند.

این مطالعه که به همراه محققان دانشگاه سوربن پاریس و دانشگاه کپنهاگ انجام شد، در مجله npj Soft Matter منتشر شد.

این مطالعه بر روی کلاس مواد قابل تغییر شکل یا سیال (مانند امولسیون ها، ژل ها، سوسپانسیون های کلوئیدی یا بافت های بیولوژیکی) که به عنوان "ماده نرم" شناخته می شوند، تمرکز دارد. به طور خاص، این کار به ماده نرم «فعال» می‌پردازد که از واحدهایی تشکیل شده است که از تعادل ترمودینامیکی خارج شده‌اند و قادر به جذب انرژی از محیط یا یک ذخیره شیمیایی داخلی - در واقع، یک «موتور» داخلی هستند و آن را مستقیما به حرکت مستقل تبدیل می‌کنند.

گروه تحقیقاتی رفتار 50 قطره روغن قرار گرفته روی آب را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. این قطرات فعال هستند زیرا ماده ای را آزاد می کنند که باعث می شود خود به خود حرکت کنند.

نویسندگان این مطالعه نحوه کارکرد آن را توضیح می‌دهند: "در ابتدا، قطرات مانند مگس‌های دیوانه با سرعت بالا حرکت می‌کنند، با هم برخورد می‌کنند و به یکدیگر می‌پرند. با این حال، در طول آزمایش، آنها تمایل دارند تا در یک ساختار منظم جمع شوند. در مقایسه با مطالعات مشابه گذشته، پیشرفت واقعی معرفی یک تنوع کوچک بود: ما 25 قطره را به رنگ قرمز رنگ کردیم.

"این رنگ فقط راهی برای برچسب زدن و تشخیص آنها نبود: اگرچه این یک تغییر شیمیایی بی نهایت کوچک است، اما سطح قطرات را کمی تغییر داد و بر سرعت مصرف "سوخت" خود و در نتیجه بر ساختار تشکیل‌دهنده تأثیر گذاشت.

محققان سپس مراحل فرآیند خودآرایی را شرح می دهند: "ما دریافتیم که سیستم از طریق پنج فاز تکرارپذیر تکامل می یابد. در ابتدا، قطرات به طور آشفته با هم برخورد می کنند. همانطور که سوخت مصرف می کنند، قطرات آبی ابتدا کند می شوند و شروع به چسبیدن می کنند. قطرات قرمز که هنوز سریع و فعال هستند، در نهایت قطرات آبی را به دام می اندازند و آنها را به سمت مرکز هل می دهند.

زمانی که سوخت تمام شود، فعالیت متوقف می شود. نتیجه یک "قایق" کاملا منظم و بی حرکت است که هسته ای از قطرات آبی دارد که توسط حلقه بیرونی قطرات قرمز محصور شده است.

آنها توضیح می دهند: "این یک مثال کامل از یک "پدیده نوظهور" است، درست همانطور که در طبیعت با گله های پرندگان اتفاق می افتد: فرد دید کلی ندارد و از قوانین محلی پیروی می کند، با این حال گروه به عنوان یک ارگانیسم هماهنگ حرکت می کند.

"به ویژه، اگر قطرات به همان اندازه فعال بودند، به طور تصادفی بدون تشکیل یک ساختار متحدالمرکز مخلوط می شدند." بنابراین، با تغییر تنها یک تفاوت ظریف در فعالیت، محققان توانستند سازماندهی نهایی ماده را "برنامه ریزی" کنند. وجود همزمان حساسیت شدید نسبت به تغییرات میکروسکوپی و تکرارپذیری دقیق در سطح ماکروسکوپی یکی از قابل توجه ترین جنبه های این سیستم است.

محققان توضیح می‌دهند: «هدف بلندمدت ما در حوزه به اصطلاح «سیستم‌های الهام‌گرفته از زیست» قرار می‌گیرد، جایی که می‌خواهیم بفهمیم چگونه اطلاعات موجود در اجزای منفرد می‌تواند کل سیستم را کنترل کند، و پایه‌های مواد آینده را پایه‌ریزی کند: پویا، پاسخ‌گو و قادر به انطباق با محیط خود».

به طور خاص، این تحقیق ابزارهای جدیدی را برای هدایت مونتاژ مستقل ماده به سادگی با عمل بر روی سرعت و فعالیت عناصر تشکیل دهنده آن، بدون نیاز به قطعات الکترونیکی یا حسگرهای فیزیکی، ارائه می‌کند. این امر چشم‌اندازهای بالقوه دگرگون‌کننده‌ای را در زمینه ماده نرم فعال باز می‌کند: از مواد هوشمندی که می‌توانند با محیط خود سازگار شوند، خود ترمیم یا خودآرایی شوند (مانند بافت‌هایی که در پروتزهای زیست‌پزشکی بازسازی می‌شوند)، تا دستگاه‌های رباتیک مایع.

محققان شامل روبرتو منیچتی و رافائلو پوتستیو از گروه فیزیک دانشگاه ترنتو و INFN-TIFPA هستند. Martin Hanczyc و Silvia Holler از گروه زیست شناسی سلولی، محاسباتی و یکپارچه (CIBIO)، دانشگاه ترنتو. نویسنده اول ماتئو اسکاندولا (دانشگاه سوربن، محقق سابق در دانشگاه ترنتو). و ریچارد لوفلر از دانشگاه کپنهاگ.

متئو اسکاندولا و همکاران، ناهمگونی فیزیکوشیمیایی حداقلی، پویایی جمعی قطرات فعال را شکل می دهد، npj Soft Matter (2026). DOI: 10.1038/s44431-026-00045-6

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →