محرك بلازموني نانوي

مبدأ العمل

وعلى صعيد آخر، البلازمون هو نمط رنيني يتضمن التفاعل بين الشحنات الحرة والضوء. في البنية النانوية المعدنية، عندما يكون المجال الكهربائي المطبق متوافقًا مع بلازموناتها، يمكن تعزيز التفاعل بين الضوء والمادة بدرجة كبيرة. يمكن تحريك الإلكترونات الحرة في المعادن من خلال تفاعل موجات البلازمون هذه مع المجال الكهربائي الناتج عن الضوء الساقط. تُعدّل هذه الظاهرة الضوء كذلك من خلال التأثير على مجاله الكهربائي والمغناطيسي . تُولّد هذه العملية برمتها عزمًا ضوئيًا يُمكنه تحريك البنى النانوية المعدنية.

وفي السياق ذاته، تُظهر الفوتونات في الغالب زخمًا خطيًا إلى جانب زخم زاوي. تُعزى هذه الخصائص إلى ظواهر مختلفة مثل توليد عزم الدوران الميكانيكي، والاحتجاز الضوئي والتبريد، سواء في الملاحظات على المستوى العياني أو النانوي.

التكوين التجريبي

ومن ناحية أخرى، استنادًا إلى مفهوم البلازمون، قام ليو وزملاؤه بإثبات وجود محرك بلازموني على المستوى النانوي. تكونت الهياكل النانوية على شكل غاماديون من الذهب (بحجم 190 × 190 على وجه التقريب). ُضعتوضع جسيمات نانوية (بقطر نانومتر واحد) بشكل متناظر بين طبقتين من ثاني أكسيد السيليكون. صُنع النظام بالكامل باستخدام تقنية الطباعة الحجرية القياسية بشعاع الإلكترون. عند إضاءة النظام بضوء مستقطب خطيًا، فإنه يُنتج عزم دوران يُحرك هذه البنى النانوية الدقيقة، والتي تُسمى «حركات نانوية بلازمونية». ينشأ عزم الدوران الناتج حصريًا من تناظر بنية الغاماديون وتفاعلها مع الضوء الساقط. ويبدو أن هذه المحركات النانوية تُغير اتجاهات حركتها (مع عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة) بحسب طول موجة شعاع الليزر الساقط (أطول وأقصر).

خلفية

في هذا الإطار، قد تنجم حركة المحرك النانوي عن تفاعلات ضوئية أو كهربائية أو مغناطيسية أو كيميائية. وتُطبَّق هذه المبادئ بحسب حجم المواد التي نتعامل معها. ومن أبرز التقارير في مجال المحركات النانوية إمكانية استخدام الطاقة الناتجة عن السلوك الكمي للفوتونات لتحفيز الحركة في هذه الأجهزة، حيث تمكن الباحثون من تحفيز والتحكم في دوران وسرعة واتجاه جزيئات الذهب النانوية (المحرك) داخل قرص سيليكا دقيق. وأشار هذا التقرير المهم إلى أن السرعة والاتجاه والدوران تعتمد بدرجة كبيرة على طبيعة الضوء (طول الموجة) الساقط على المحرك.

وفي هذا السياق، تُصنّف المحركات النانوية عمومًا إلى محركات بيولوجية، وهجينة، وغير بيولوجية. المحركات النانوية البيولوجية هي عادةً محركات مجهرية طبيعية، مثل أسواط البكتيريا التي تتحرك باستخدام إنزيم ATP synthase المُنتَج داخل الخلية. يسمح هذا المحرك للبكتيريا بالحركة بشكل مستقل. أما نظيرتها المصنّعة فتُسمى محركًا نانويًا غير بيولوجي، وهي تُحاكي وظيفة المحرك النانوي الطبيعي أو البيولوجي لتمكين الأجهزة من العمل. مع ذلك، فإن هذه الأجهزة النانوية المصنّعة أقل كفاءةً مقارنةً بنظيرتها البيولوجية، إذ تتطلب تعديلات وظيفية لتسريع الحركة أو تحسين وظائف المحرك النانوي الاصطناعي. مثلًا، يؤدي دمج أنابيب الكربون النانوية في مكون البلاتين لسلك نانوي معدني غير متماثل إلى تسريع حركته بدرجة كبيرة في محلول بيروكسيد الهيدروجين. يستعمل المحرك النانوي الهجين المبادئ الكيميائية الموجودة في المحرك النانوي البيولوجي، فضلًا عن مبادئ أخرى كالتفاعلات المغناطيسية، لأداء وظائفه.

التطبيقات

وعلى صعيد آخر، بسبب حجمه والطاقة التي يحركها، يمكن للمحرك البلازموني النانوي أن يوفر قوة دورانية على المستوى النانوي، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع في تحويل الطاقة وعلم الأحياء.

الخطط المستقبلية

من جانب آخر، في المستقبل، سيولي العلماء اهتمامًا أكبر لتصنيع وكفاءة المطاحن الضوئية. كما سيتم تطوير مواد بديلة للمحركات كبدائل للمواد باهظة الثمن- مثل الذهب والسيليكون وأنابيب الكربون النانوية- المستعملة في المرحلة التجريبية. وسيتم كذلك تحسين قوة ومرونة محركات البلازمون النانوية .

• انظر كذلك
• بلازمونيات
• محرك نانوي

في علم الأحياء

من جهة ثانية، يُمكن للمحرك النانوي المُطوّر حديثًا والذي يعمل بالضوء أن يُعالج قصور المطاحن الضوئية السابقة. فهو يُولّد عزم دوران مُماثلًا لتلك المصنوعة من الذهب، ولكنه أصغر حجمًا بكثير. وبتركيز 100 نانومتر (عُشر حجم المحركات الأخرى)، يُتيح هذا المحرك تطبيقاتٍ مثل فكّ الحمض النووي في الخلايا الحية. وبينما يخضع النظام لعملية لفّ وفكّ الحمض النووي المُتحكّم بها، يُمكن إضاءة المحرك الصغير بأطوال موجية مُختلفة لإجراء عمليات التلاعب داخل الكائن الحي.

كذلك، قد تُحدد الديناميكيات البنيوية للعمليات الخلوية، مثل التضاعف والنسخ، الخصائص الميكانيكية للحمض النووي. مع ذلك، ينبغي مراعاة تأثير عزم الدوران عند قياس ميكانيكا الحمض النووي. تحت شد منخفض، يتصرف الحمض النووي كقضيب مرن متجانس الخواص؛ بينما عند شد أعلى، يختلف سلوك الجزيئات الملتفة بشكل مفرط عن تلك الملتفة بشكل غير كافٍ. عند استخدام محرك البلازمون النانوي، يتراكم إجهاد الالتواء في الجزيء عن طريق تثبيت حبة الدوار باستخدام تدفق السائل. من خلال مراقبة زاوية التواء الحمض النووي، يمكن الحصول على خصائصه المرنة.

مقدمة

وعلى صعيد آخر، أدى تزايد الطلب على تقنيات النانو والتقنيات الدقيقة إلى ظهور اهتمام واسع وفرص كبيرة لتطوير منتجات تعتمد على أنظمة ميكانيكية دقيقة (MEMS ) ونانوية ( NEMS ). ومن أبرز سمات هذه التقنيات قدرتها الفريدة على محاكاة الكثير من الظواهر الطبيعية. فمثلًا، نجح الهندسة الطبية الحيوية في استبدال الأعضاء التالفة أو المريضة وتحسين وظائفها من خلال تصميم أعضاء اصطناعية باستخدام تقنية النانو. ويساعد العلم الكامن وراء تقنية النانو في تصميم أجهزة تُستعمل في عمليات الزرع، مما يستدعي فهم كيفية عمل هذه الأجهزة من خلال دراسة الخلايا الحية ومبادئ عملها. ومن المؤكد أن ذلك قد يُلهم أفكارًا لتصميم أجهزة فعّالة. وقد لفتت آلية التجديد الذاتي للطاقة بواسطة الكائنات الدقيقة الانتباه إلى كيفية توليد الطاقة من المواد النانوية.

وفي هذا الصدد، كما يتضح من أعمال الكثير من الباحثين، تتمتع تقنية النانو بقدرة هائلة على تشغيل وتحسين الكثير من الأجهزة البيولوجية الطبيعية، وذلك باستبدال مكوناتها ومحاكاة العمليات الطبيعية داخل الكائن الحي. ويكمن الهدف الأساسي من هذا النهج في توفير مصدر بديل ذي قدرة أعلى ضمن بيئة مُحكمة. ومن أبرز الاكتشافات الرائدة في هذا المجال المحرك النانوي، وهو جهاز متناهي الصغر قادر على تحويل أشكال الطاقة المختلفة إلى حركة باستخدام آليات مُلاحظة في الطبيعة. ويُفسر هذا الاكتشاف استخدام خصائص الموجات والجسيمات معًا لتشغيل المحرك النانوي. وقد أدى ذلك إلى رصد ما يُسمى بالمحرك النانوي البلازموني، الذي يستعمل خصائص البلازمون لتشغيل المحرك النانوي. وقد ابتكر باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة كاليفورنيا في بيركلي أول محرك طاحونة ضوئية نانوي الحجم، يُمكن التحكم في سرعته واتجاه دورانه عن طريق ضبط تردد موجات الضوء الساقطة.

القيود

في هذا الإطار، نظراً لحداثة تقنية المحرك البلازموني النانوي، فإنه يواجه الكثير من التحديات، منها ارتفاع تكاليف التطوير، وزيادة التعقيد، وطول مدة التطوير كما أن الطرق والمواد المستعملة في تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) لا تتناسب بشكل عام مع النطاق النانوي. ويعاني المحرك البلازموني النانوي كذلك من بعض القيود في القوة والمرونة.

علاوةً على ذلك، في الماضي، كان جرىتدوير الجسيمات النانوية عن طريق استغلال الحركة الذاتية للضوء الساقط ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحفيز دوران جسيم نانوي دون استغلال الزخم الزاوي الذاتي للضوء.

في مجال تحويل الطاقة

ومن جهة أخرى، يختلف النظام الكهروميكانيكي الدقيق عن النظام الكهروميكانيكي التقليدي. ففي المحرك البلازموني النانوي، يمكن استخلاص الطاقة الضوئية من خلال تدوير أجسام مجهرية. إضافةً إلى ذلك، يمكن للمحرك البلازموني النانوي ربط آليات التحويل على التوالي (مثلًا، تحويل الإشارة الحرارية أولاً إلى إشارة ميكانيكية ، ثم إلى إشارة ضوئية، وأخيراً إلى إشارة كهربائية).

وعلى صعيد آخر، لذا، يمكن تطبيق هذه المحركات في حصاد الطاقة الشمسية في الأنظمة النانوية من خلال تصميم محركات متعددة تعمل بترددات رنين مختلفة وفي اتجاهات محددة. ويمكن استخدام هذه الهياكل المتعددة للمحركات للحصول على عزم دوران من نطاق واسع من الأطوال الموجية بدلاً من تردد واحد.