نواهای فناوری‌نانو؛ گوش ‌دادن به موسیقی مولکول‌ها

آشکارسازی وجود یک ماده مشخص در سطح مولکولی(تا حد یک تک ‌مولکول)، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های فناوری نانوحسگرها بوده‌است. به‌تازگی محققانی از دانشگاه کالیفرنیا با استفاده از انرژی ارتعاشی موجود بین اشیای نانومقیاس، حسگرهایی را برای آشکارسازی شیمیایی گستره‌ای، زیستی، تابشی و حتی صوتی طراحی نموده‌اند. این حسگر می‌تواند تا به «موسیقی» تولیدشده به‌وسیله یک مولکول، «گوش کند». این آشکارسازها کاربردهایی چون نانوزیست‌فناوری ، بازبینی محیطی و کاربردهای ضد ترور یا نظامی دارند.

آشکارسازی وجود یک ماده مشخص در سطح مولکولی(تا حد یک تک ‌مولکول)، یکی از
بزرگ‌ترین چالش‌های فناوری نانوحسگرها بوده‌است. به‌تازگی محققانی از دانشگاه
کالیفرنیا با استفاده از انرژی ارتعاشی موجود بین اشیای نانومقیاس، حسگرهایی را
برای آشکارسازی شیمیایی گستره‌ای، زیستی، تابشی و حتی صوتی طراحی نموده‌اند.
این حسگر می‌تواند تا به «موسیقی» تولیدشده به‌وسیله یک مولکول، «گوش کند». این
آشکارسازها کاربردهایی چون نانوزیست‌فناوری ، بازبینی محیطی و کاربردهای ضد
ترور یا نظامی دارند.

این تحقیق از سوی بنیاد ملی علوم حمایت مالی می‌شده و سرپرستی آن بر عهده جفری
گراسمن، مدیر گروه علوم نانوی محاسباتی در دانشگاه مذکور، بوده‌است. وی گفت:«ما
نشان داده‌ایم که در صورت نوسان یک جسم نانومقیاس(با بسامدی یکسان) با یک جسم
نانومقیاس دیگر ـ‌در تشدید‌ـ این دو جسم می‌توانند به شکل مؤثری با یکدیگر
حرارت مبادله کنند و در همین اثنا اگر دو جسم مذکور با بسامدی متفاوت نوسان
کنند، شارش حرارت متوقف شده و انرژی منتقل نشده و یا به میزان کمی منتقل
می‌گردد».

گراسمن و گروهش نشان دادند که می‌توان از این تبادل نانومکانیکی انرژی برای
اهداف آشکارسازی یا تعیین خصوصیات یک گونه مولکولی ناشناخته بهره گرفت. آنها
روش آشکارسازی جدید خود را طیف‌نمایی تشدیدی نانومکانیکی یا NRS نامیده‌اند. در
این روش از آرایه‌ای از تشدیدکننده‌های نانومکانیکی استفاده شده و به کمک آنها
بسامدهای ارتعاشی یک تحلیل‌گرِ حرارت‌داده‌شده(برانگیخته حرارتی) تعیین
می‌گردند.

گراسمن در تجسمی ساده از این روش گفت:«این روش همانند آن است که مجموعه‌ای از
دوشاخه‌های نانویی را به یک مولکول ملحق کنیم و ببینیم که کدامیک از آنها تحریک
می‌گردند. این مجموعه می‌تواند یک کورد از نت‌های موسیقی را ایجاد کند که منحصر
به یک مولکول خاص است و به این ترتیب می‌توان مولکول‌ها را شناسایی کرد».

حسگر طراحی‌شده جدید قادر است تا به «موسیقی» تولیدشده به‌وسیله یک مولکول و
بدون نیاز به چسبیدن مولکول به یک سطح، «گوش کند». به این ترتیب می‌توان
اندازه‌گیری‌های ادامه‌داری را بدون نیاز مبرم به تمیزسازی و راه‌اندازی مجددِ
حسگر انجام داد. نتیجه این فرایند، ساخت یک سیستم آشکارساز نانویی است که
می‌تواند بدون اعمال گام‌های شیمیایی وظیفه‌دارساز(به‌عنوان مثال ساخت یک جفن
ژن/آنتی‌ژن برای مولکول‌های زیستی که در روش‌های کنونی استفاده می‌شود)
گونه‌های متفاوتی از اجسام و انرژی‌ها را آشکارسازی نماید.

گراسمن عنوان کرد که باید در زمینه نحوه توزیع انرژی حرارتی در بسامد و تأثیر
این توزیع بر روی نحوه انتقال حرارت، مطالعات بیشتری انجام گیرد. در تحقیق
اخیر، گراسمن و همکارانش تلاش کرده‌اند تا پدیده‌های گرمایی نانومقیاس را با
وابستگی بسامدی آنها شناسایی کنند؛ به عبارت دیگر از ماهیت موجی حرارت بهره
بگیرند، زیرا در چنین ابعادی، مفهوم دما(میانگین زمانی انرژی حرارتی) برای
تعیین رفتار یک سیستم کافی نیست.

تاکنون ابزارهای NRS به‌صورت عملی ساخته نشده‌اند؛ اما دانشمندان معتقدند که
راه‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد. کاربردهای بسیار زیادی برای یک
سیستم آشکارسازی حساس و بدونِ برچسب(همانند آنچه گراسمن و گروهش معرفی
کرده‌اند) وجود دارد. چنین سیستمی در حوزه‌هایی چون پزشکی، امنیت ملی، بازبینی
محیطی و انرژی و آب پاک بسیار سودمند خواهد بود.

نتایج این تحقیق در نشریه Nano Letters به چاپ رسیده‌است.