ایجاد 'کرم‌های مصنوعی خودحرکت' با استفاده از میدان‌های الکتریکی در کشف جدید

پژوهشگران دانشگاه بریستول کشف هیجان‌انگیزی کرده‌اند - موادی مصنوعی که می‌توانند خود به خود حرکت کنند، شبیه به حرکت کرم‌ها. این تحقیق بخشی از رشته‌ی در حال رشد 'مواد فعال' است که ممکن است روزی به روش‌های جدید تحویل دارو و مواد خودترمیمی بیانجامد. اکثر مواد مانند چوب یا پلاستیک ثابت می‌مانند و شکل خود را تغییر نمی‌دهند. مواد فعال متفاوت هستند زیرا می‌توانند حرکت کنند و خود را تغییر دهند. دانشمندان از بریستول، پاریس و لیدن با هم کار کردند تا ذرات کوچکی به نام کلوییدهای ژانوس را مطالعه کنند. این ذرات در یک مایع قرار داده شدند و به یک میدان الکتریکی قرار گرفتند که باعث شد خود به خود حرکت کنند. این کشف باعث شد که دانشمندان یک قدم به طراحی موادی نزدیک‌تر شوند که حرکت بیولوژیکی را تقلید می‌کنند و می‌توانند به پیشرفت‌هایی مانند ماهیچه‌های مصنوعی و سیستم‌های روباتیک میکروسکوپی منجر شوند. ایده‌ی مواد فعال مدت‌هاست که محققان را مجذوب خود کرده است زیرا نحوه‌ی درک ما از مواد را به چالش می‌کشد. برخلاف مواد سنتی که به نیروی خارجی برای حرکت نیاز دارند، مواد فعال دارای منابع انرژی داخلی هستند که حرکت آن‌ها را تحریک می‌کند. این به این معنی است که این مواد مصنوعی ممکن است روزی به انواع جدیدی از مواد قابل تغییر تبدیل شوند که به محیط خود واکنش نشان می‌دهند و بیشتر مانند موجودات زنده عمل می‌کنند. با استفاده از یک میکروسکوپ سه‌بعدی خاص، تیم تحقیقاتی مشاهده کرد که این ذرات چگونه وقتی که میدان الکتریکی فعال شد رفتار می‌کنند. کلوییدها به هم چسبیدند و ساختارهایی شبیه کرم‌ها تشکیل شد. این آزمایش منحصر به فرد بود زیرا از ذرات کوچکتری نسبت به مطالعات قبلی استفاده کرد و محققان توانستند رفتارهای جدیدی را مشاهده کنند. این تشکیل‌های کرم‌مانند حرکتی هماهنگ را نشان دادند، گویی که به عنوان یک واحد عمل می‌کنند نه به صورت ذرات فردی. اولین نویسنده، شیچن چائو، توضیح داد: "ما تشکیل ساختارهای جدید شگفت‌انگیزی را یافتیم - رشته‌های فعال خودحرکت‌کننده که یادآور کرم‌های زنده هستند. سپس توانستیم یک چارچوب تئوریک توسعه دهیم که به ما این امکان را می‌دهد تا حرکت کرم‌های مصنوعی را تنها بر اساس طول آن‌ها پیش‌بینی و کنترل کنیم." این یافته‌ها نشان می‌دهند که حرکت این مواد مصنوعی چگونه می‌تواند کنترل شود که می‌تواند به کاربردهای عملی در زمینه‌های مختلف منجر شود. در تراکم‌های کمتر، ذرات فعال زنجیره‌های کرم‌مانند تشکیل می‌دهند، اما در تراکم‌های بالاتر، آن‌ها به شکل خودسازمانده مازگونه و صفحه‌مانند جمع می‌شوند. این رفتارهای خودسازمانده می‌تواند درهای جدیدی را برای کاربردهای جدید در پزشکی، رباتیک و علم مواد باز کند. کو-نویسنده تانی لیورپول اشاره کرد: "در حالی که کاربردهای در دنیای واقعی احتمالاً در آینده‌ی دور هستند، زیرا این مواد می‌توانند به طور مستقل حرکت کنند، می‌توانند سرانجام به طراحی دستگاه‌هایی منجر شوند که بتوانند به طور مستقل بخش‌های مختلف خود را حرکت دهند یا طراحی گروه‌های ذراتی که بتوانند هدفی را جستجو کنند که می‌تواند با هدف داروها و درمان‌های خاص هدفمندی در کاربردهای سلامتی مفید باشد." تیم تحقیقاتی به بررسی این مواد مصنوعی ادامه می‌دهد و بر چگونگی توسعه بیشتر آنها برای استفاده عملی تمرکز دارد. با آزمایش‌های در حال انجام و مدل‌سازی نظری، این کشف ما را به مواد شبیه به موجودات زنده نزدیکتر می‌کند و درهای جدیدی به پیشرفت‌های آینده در علم مواد باز می‌کند. یافته‌ها در ژورنال فیزیک مرور نامه‌ها منتشر شده است.