İnsan bədənində dərman daşıya və çatdıra bilən mikroskopik robotlardan mikroplastikləri aşkar edib parçalaya bilən kiçik hissəciklərə qədər, aktiv maddə adlı yeni yaranan sahə dünyanın ən böyük problemlərindən bəzilərini həll etmək üçün mikro miqyasda axtarır.

Penn Ştatında kimya və kimya mühəndisliyi üzrə dosent Stüart Mallori aktiv maddəni, xüsusən də özüyeriyən mikroskopik hissəciklərin kollektiv davranışını öyrənən tədqiqat qrupuna rəhbərlik edir . Qrupun məqsədi mikromiqyasda maddənin davranışını idarə etmək üçün nəzəri və hesablama vasitələri hazırlamaq və son nəticədə onunla yeni material və cihazları dizayn etməkdir.

Komanda “The Journal of Chemical Physics” jurnalında mikro mühəndislikdə ümumi bir problemin həllini təsvir edən məqalə dərc edib , bu sahə, bəziləri çılpaq gözlə görünməyən kiçik maşın və ya cihazların dizaynı və yaradılmasına yönəlib. Mallory tədqiqatı və daha ümumi olaraq bu sahə haqqında aşağıdakı sual-cavabda danışdı.

Mikro-mühəndislik problemi nə idi və sizin həlliniz nə idi?

İstər böyük, istərsə də kiçik hərəkət edən hər hansı bir şeyin layihələndirilməsi ilə bağlı əsas problem, qapalı bir mühitə yerləşdirildikdə onun hərəkətinin necə dəyişdirilməsidir. Əslində, bir cismin ilkin mövqedən başlayıb-başlamadığını, verilən zaman intervalında nə qədər hərəkət edəcəyini bilmək istəyirik. Bizi obyektlərin dar bir kanalla məhdudlaşdığı və bir-birini keçə bilməməsi problemi maraqlandırır. Əgər bir şeyin hərəkətə başladığı vaxtı biliriksə və daha sonra onun nə qədər uzaqda olacağını bilməliyiksə, o zaman bu problemi həll etməyi bacarmalıyıq.

Bu, statistik fizikada tək fayllı dinamika adlanan həqiqətən köhnə bir problemdir və əslində kimya və fizikadan kənar bir çox yerdə ortaya çıxır. İstənilən vaxt növbəyə durduğunuzu və ya tıxacda qaldığınızı, yanınızdaki insanları keçə bilməyəcəyinizi, tək sıra ilə hərəkət etdiyinizi və getmək istədiyiniz yerə çatmağın nə qədər vaxt aparacağını özünüzdən soruşduğunuzu düşünün. Bu, həllinə diqqət yetirdiyimiz problemdir.

Kiçik, hissəcik ölçülü robotlar haqqında danışarkən, onlar qapalı mühitlərdə, məsələn, qan dövranına və bədənin müxtəlif yerlərində dərmanların çatdırılması kimi istifadə ediləcək. Bu sistemləri yerləşdirməzdən əvvəl, bu mikroskopik üzgüçülərin mürəkkəb mühitlərdə necə davrandıqlarını başa düşmək üçün əvvəlcə simulyasiyalar aparmalıyıq. Onların hara səyahət edəcəklərini və oraya nə qədər vaxt aparacaqlarını təxmin etməyi bacarmalıyıq. Əgər onlar tək bir fayl vəziyyətinə düşərsə, biz həmin vaxtı faktorla hesablaya bilməliyik, ona görə də sizə bunu bildirən bir tənlik əldə etdik.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=280&slotname=8188791252&adk=1645945215&adf=4054963813&pi=t.ma~as.8188791252&w=750&abgtt=6&fwrn=4&fwrnh=0&lmt=1745414383&rafmt=1&armr=3&format=750×280&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-04-qa-microscopic-traffic-solution-insights.html&fwr=0&rpe=1&resp_fmts=3&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTM1LjAuNzA0OS45NiIsbnVsbCwwLG51bGwsIjY0IixbWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTM1LjAuNzA0OS45NiJdLFsiTm90LUEuQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzNS4wLjcwNDkuOTYiXV0sMF0.&dt=1745414383499&bpp=1&bdt=171&idt=48&shv=r20250421&mjsv=m202504170101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Df22668bce9793ae4%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DALNI_Mb4Xpwl1SO1AcvqroR6xccDm_sheQ&gpic=UID%3D00000f7c5320f40b%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DALNI_Mb1dz_DHiT2yDzXLMaB9CDkQl4XGg&eo_id_str=ID%3Dcdf7f2f01784f52d%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DAA-Afjb8kbeupLLyQ0QHQmZxpM4v&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=8035785169834&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=3&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1032&u_aw=1920&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=448&ady=2430&biw=1905&bih=945&scr_x=0&scr_y=0&eid=95357427%2C95358862%2C95358864%2C95357460%2C42533294%2C95357878%2C31090357%2C95357716&oid=2&pvsid=8890510041975101&tmod=241925291&uas=0&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1920%2C0%2C1920%2C1032%2C1920%2C945&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=2&uci=a!2&btvi=1&fsb=1&dtd=53

Bu mikroskopik irəliləyiş insan miqyaslı dünyanı necə başa düşməyinizlə bağlı nəyisə dəyişibmi?

Bu, bir sürücü kimi mənim baxışımı mütləq dəyişdi. İki zolaqlı yolda sürmək tək fayllı dinamikanın gözəl nümunəsidir, çünki avtomobillər bir-birini keçə bilmir. Əgər siz nə vaxtsa avtomobilinizi idarə etmisinizsə və insanlar heç bir səbəb olmadan dayanmış kimi görünürsə, buna “fantom tıxac” deyilir. Trafikdəki bu yavaşlamalar kortəbii şəkildə yaranır və adətən avtomobillərin sürəti və ya məsafələrindəki kiçik dalğalanmalar nəticəsində yaranır ki, bu da insanların reaksiya müddətləri və gecikmiş əyləc və ya sürətlənmə səbəbindən zamanla güclənir.

Dar kanallarda hərəkət edən aktiv hissəciklər üzərində apardığımız işdə hissəciklərin bir araya toplaşmasına və yavaşlamasına səbəb olan oxşar davranışları müşahidə etdik. Bəli, bu kağız məni trafik haqqında daha çox düşünməyə vadar etdi.

Bu tək fayl problemini həll etməzdən əvvəl siz Phoretic Janus hissəciklərini tənzimləmək üçün potensial yol göstərən bir məqalə dərc etdiniz. Onlar nədir, niyə əhəmiyyətlidirlər və niyə onları kökləmək istəyirsiniz?

Təxminən 20 il əvvəl Penn State alimlərindən ibarət bir qrup Phoretic Janus hissəcikləri adlandırdıqları bu özüyeriyən nanohissəcikləri icad etdilər . Bunlar adətən mikron ölçülü və ya insan saçının enindən 100 dəfə kiçik olan bu kiçik hissəciklərdir və mayenin içindən keçə bilirlər.

Onların səthi kimyəvi cəhətdən bir-birindən fərqlənən iki bölgədən ibarətdir, buna görə də Roma ikilik və keçid tanrısı olan “Yanus” adını daşıyırlar. Bu ikilik onlara öz ətraflarında kimyəvi qradiyentlər yaratmağa və saxlamağa imkan verir ki, bu da öz-özünə hərəkət etməyə imkan verir. Təsəvvür edin ki, iki tərəfi olan kiçik bir sualtı qayıq, biri suyu itələyir, digəri isə suyu içəri çəkir. Bu, sualtı qayığı irəli aparan bir axın yaradır. Bu, bu hissəciklərin necə işlədiyinə bənzəyir. Onları sazlayaraq, kimyəvi siqnallara cavab olaraq necə və harada hərəkət etdiklərini idarə edə bilərik.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .Abunə ol

Niyə bu hissəciklərə diqqət yetirmək istədiniz və onlar haqqında nə kəşf etdiniz?

Birincisi, mənim üçün maraqlı idi ki, onlar burada, Penn Ştatda kəşf edilib və layihələndiriliblər və indi onlar bütün dünyada öyrənilir. Onlara diqqət yetirmək də məntiqli idi, çünki biz mahiyyətcə üzə bilən hissəciklərlə maraqlanırıq. Bu kiçik mikroswimmers geniş tətbiq sahəsinə malikdir. Məqsədli dərman çatdırılması kimi hallar üçün bədən daxilində işə salına bilər və ya ətraf mühitdəki problemləri təmizləyə, zərərli kimyəvi maddələri, bakteriyaları və ya mikroplastikləri parçalaya bilərlər.

Onlar nisbətən yeni alətlərdir, ona görə də qrupumuz bu hissəciklərin necə davrandığını, öz-özünə hərəkət etdiyini, hansı yanacaqdan istifadə etdiyini və bu yanacağın onların dinamikasını necə dəyişdiyini başa düşməyə çalışır.

Ümumiyyətlə, bu hissəciklər hədəflənmiş, mikroskopik hərəkətin lazım olduğu tətbiqlər üçün idealdır. Hərəkət etmək üçün xarici qüvvələrə güvənən passiv hissəciklərdən fərqli olaraq, Phoretic Janus hissəcikləri öz hərəkətlərini yaradır, yəni biz hissəciyin iki səth bölgəsinin kimyəvi tərkibini tənzimləməklə onları necə “sürüyə” biləcəyimizi anlaya bilərik.

Bu hərəkətverici metaforaya uyğun olaraq, hissəciklər hansı yanacaq növündən istifadə edir?

Hissəciyin tərkibindən asılı olaraq, müxtəlif yanacaq mənbələri onların hərəkətini gücləndirəcək. Məsələn, hidrogen peroksid metal bölgəyə malik hissəciklər üçün yanacaq kimi istifadə oluna bilər, digər fermentlə örtülmüş hissəciklər isə qlükoza kimi bio-əsaslı yanacaqlardan istifadə edə bilər.

Lakin onların hərəkətinə təsir edə bilən hissəciklər arasında qarşılıqlı təsir də var, buna görə də bizim işimiz hissəciklərin davranışını iki səviyyədə başa düşməyə yönəlib: fərdi və kollektiv. Mütərəqqi hesablama metodlarından istifadə edərək tək Janus hissəciklərinin davranışını idarə etməyi və dəqiq simulyasiya etməyi hədəflədiyimiz fərdi səviyyədən danışdıq.

Kollektiv səviyyədə bir çox hissəciklər qarşılıqlı əlaqədə olduqda davranışın necə dəyişdiyini öyrənərək, onların kollektiv davranışlarının dinamikasını araşdırırıq. Nəhayət, bizim məqsədimiz mürəkkəb sistemlərdə bir çox hissəciklərin qarşılıqlı təsirini çəkən yüksək dəqiqlikli simulyasiyalar hazırlamaqla bu yanaşmaları inteqrasiya etməkdir.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?gdpr=0&us_privacy=1—&gpp_sid=-1&client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=280&slotname=8188791252&adk=1645945215&adf=3096487112&pi=t.ma~as.8188791252&w=750&abgtt=6&fwrn=4&fwrnh=0&lmt=1745414412&rafmt=1&armr=3&format=750×280&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-04-qa-microscopic-traffic-solution-insights.html&fwr=0&rpe=1&resp_fmts=3&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTM1LjAuNzA0OS45NiIsbnVsbCwwLG51bGwsIjY0IixbWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTM1LjAuNzA0OS45NiJdLFsiTm90LUEuQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzNS4wLjcwNDkuOTYiXV0sMF0.&dt=1745414383499&bpp=1&bdt=170&idt=58&shv=r20250421&mjsv=m202504170101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Df22668bce9793ae4%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DALNI_Mb4Xpwl1SO1AcvqroR6xccDm_sheQ&gpic=UID%3D00000f7c5320f40b%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DALNI_Mb1dz_DHiT2yDzXLMaB9CDkQl4XGg&eo_id_str=ID%3Dcdf7f2f01784f52d%3AT%3D1735196613%3ART%3D1745414207%3AS%3DAA-Afjb8kbeupLLyQ0QHQmZxpM4v&prev_fmts=0x0%2C750x280&nras=1&correlator=8035785169834&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=3&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1032&u_aw=1920&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=448&ady=5690&biw=1905&bih=945&scr_x=0&scr_y=2005&eid=95357427%2C95358862%2C95358864%2C95357460%2C42533294%2C95357878%2C31090357%2C95357716&oid=2&psts=AOrYGskh4JG2-NGT1Wa__sfFA0LFfMM7ANtEkwlCytOJF2pbZVeumYtn9NNPGaufr98N4gBMvOs0qP2FKjA7J7YZ14SVlw&pvsid=8890510041975101&tmod=241925291&uas=3&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1920%2C0%2C1920%2C1032%2C1920%2C945&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=3&uci=a!3&btvi=2&fsb=1&dtd=28716

Araşdırmanız üçün hansı potensial tətbiqlər var?

Mən sizə çox konkret birini verəcəyəm. Xərçəng hüceyrələrinin yaratdığı pH gradientlərinə cavab verən kalsium karbonatdan hazırlanmış nanohissəciklər var ki, onlar xərçəng hüceyrələrinə doğru üzməyə imkan verir. Dəqiq hissəcik dizaynı ilə, xərçəng hüceyrələrinin yaydığı molekullar kimi xüsusi bioloji siqnalları hiss edə və onlara doğru hərəkət edə bilən, mahiyyətcə mikroskopik robotlar yarada bilərik. Çox da uzaq olmayan gələcəkdə hansısa bir nöqtədə, biz bu hissəciklərdən bir çox dərman yükünü daşımaq və xərçəng kimi zərərli hüceyrələri hədəfə almaq üçün istifadə edə bilərik.

Bu konsepsiya ətraf mühitin təmizlənməsi üçün potensial həll təklif edən mikroplastikləri aşkar etmək və toplamaq üçün hissəciklərdən istifadə kimi digər tətbiqlərə də şamil edilə bilər.

Siz həm də material araşdırmalarını öyrənirsiniz, bəs tədqiqatınız bu sahəyə necə aiddir?

Bu, işimizin kollektiv davranış aspektinə aiddir. Nanohissəciklər öz-özünə yığılmağa qadirdir, bu da təbiətin strukturları, kiçik hissələrin daha böyük və daha böyük hissələri meydana gətirdiyi üsuldur.

Bizim işimiz nümayiş etdirir ki, özüyeriyən hissəciklər bu prosesi gücləndirə bilər və öz-özünə montajı mikromiqyasda tikinti üçün daha effektiv alətə çevirir. İdeya ondan ibarətdir ki, siz tikinti bloklarını dizayn edə bilərsiniz, onları özüyeriyən hissəciklər olan bir məhlulda dayandıra bilərsiniz və ideal olaraq, onlar kortəbii olaraq istənilən strukturu formalaşdıracaqlar.

Hazırda laboratoriyanız nə üzərində işləyir? Növbəti addımlarınız hansılardır?

Bu hissəciklərin müxtəlif mühitlərdə necə davrandığını daha yaxşı başa düşmək üçün nəzəriyyələr və hesablama rejimləri inkişaf etdiririk.

Janus hissəcikləri ilə gördüyümüz iş, özüyeriyən hissəciklərdən ibarət sistemlərə və onların kollektiv davranışlarına yönəlmiş daha geniş tədqiqat sahəsinə töhfə verir, beləliklə, qrupumuzda əldə etdiyimiz kəşflər bütün aktiv maddə sahəsinə təsir edəcək. Atdığımız hər bir addım mikromiqyasda maddəni dərk etmək və manipulyasiya etmək yolunda irəliyə doğru bir addımdır.

Daha çox məlumat: Akinlade Akintunde və başqaları, Aktiv Brown hissəciklərinin tək fayllı diffuziyası, Kimyəvi Fizika Jurnalı (2025). DOI: 10.1063/5.0248772

Jurnal məlumatı: Kimyəvi Fizika Jurnalı 

Pensilvaniya Dövlət Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir