مولکول‌های مصنوعی که مانند مولکول‌های واقعی رفتار می‌کنند.

دانشمندان دانشگاه رادبود هلند مولکول‌های مصنوعی را توسعه داده‌اند که شباهت زیادی به مولکول‌های ارگانیک واقعی دارند. تیم تحقیقاتی آن‌ها تحت رهبری الکس خاجتوریانز و دنیل وگنر، اکنون قادر به انجام این شبیه‌سازی می‌باشد. به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند خواص مولکول‌ها را به روش‌هایی که به طور معمول دشوار یا غیر واقعی هستند، تغییر دهند و چگونگی رفتار مولکول‌ها را بهتر درک کنند.

امیل سیردا، که مسئول انجام این آزمایش‌ها در دانشگاه رادبود بود گفت: “چند سال پیش، این ایده دیوانه‌وار را داشتیم که یک شبیه‌ساز کوانتومی بسازیم. می‌خواستیم مولکول‌های مصنوعی ایجاد کنیم که شبیه به مولکول‌های واقعی باشند. بنابراین ما یک سیستم پیشرفته‌ای را ایجاد کردیم که بتوانیم الکترون‌ها را محاصره کنیم (گیر بیاندازیم). الکترون‌ها مولکول را مثل یک اَبر احاطه می‌کنند و ما از این الکترون‌های گیر انداخته شده برای ساختن یک مولکول مصنوعی استفاده کردیم. نتایجی که به دست آوردیم حیرت انگیر بودند. سیردا اضافه کرد: «شباهتی که بین آنچه ساختیم و مولکول‌های واقعی وجود داشت بسیار باورنکردنی بود».

الکس خاجتوریانز، رئیس بخش میکروسکوپی پراب پویشی (SPM) در دانشکده مولکول‌ها و مواد دانشگاه رادبود اضافه کرد: “ساختن مولکول‌ها به تنهایی کار دشواری است. اما چالش بیشتر، درک این است که چگونه برخی از مولکول‌های خاص واکنش نشان می‌دهند، به عنوان مثال چگونگی تغییر آن‌ها هنگامی که خم یا دگرگون می‌شوند. «چگونگی تغییر و واکنش مولکول‌ها پایه‌ علم شیمی است و منجر به واکنش‌های شیمیایی می‌شود، مانند تشکیل آب از عنصرهای هیدروژن و اکسیژن.» ما می‌خواستیم مولکول‌ها را شبیه‌سازی کنیم، تا بتوانیم دسترسی نامحدودی برای خم کردن و تنظیم کردن آن‌ها داشته باشیم. کاری که تقریباً با مولکول‌های واقعی غیرممکن است. تنها در این صورت می‌توانیم درباره مولکول‌های واقعی چیزی بگوییم، زیرا که انجام این تغییرات بر روی مولکول‌های واقعی به علت چالش‌های فراوانی که حین تغییر شکل به وجود می‌آورند بسیار دشوار است.

با استفاده از این شبیه‌ساز، پژوهشگران نسخه‌ای مصنوعی از یکی از مولکول‌های بنیادی شیمی آلی را ایجاد کردند: بنزن. بنزن به عنوان ماده اولیه برای تولید تعداد زیادی ماده شیمیایی استفاده می‌شود مانند استایرن که برای تولید پلی استایرن به کار می‌رود. خاجتوریان افزود: «با ساخت بنزن، ما توانستیم یک مولکول کتاب مرجع  شیمی آلی  را شبیه‌سازی کنیم. مولکولی که از عناصر غیرآلی تشکیل شده است.» علاوه بر این، مولکول‌های شبیه سازی شده ۱۰ برابر بزرگتر از نمونه‌های واقعی آن‌ها هستند که باعث می‌شود کار با آن‌ها آسان‌تر باشد.

 کاربرد‌های این تکنیک جدید بی‌نهایت است. دانیل وگنر، استادیار بخش میکروسکوپی پروبی روبشی(SPM)، می‌گوید: «ما تا به حال فقط تصور کرده‌ایم که از این تکنیک برای چه کارهایی می‌توان استفاده کرد. ما ایده‌های بسیاری داریم که تصمیم‌گیری برای اینکه از کجا شروع کنیم سخت است.» با استفاده از شبیه‌ساز، دانشمندان می‌توانند مولکول‌ها و واکنش‌های آن‌ها را بهتر درک کنند که در هر زمینه علمی که تصور کنید مفید خواهد بود. وگنر می‌گوید: «به عنوان مثال، ساخت مواد جدید برای سخت‌افزارهای کامپیوتری آینده بسیار سخت است. با ساخت نسخه شبیه‌سازی شده، ما می‌توانیم ویژگی‌ها و عملکردهای تازه‌ برای مولکول‌های خاصی را جستجو کرده و ارزیابی کنیم که آیا ساخت ماده واقعی ارزش دارد یا خیر.» در آینده دور، همه‌چیز ممکن خواهد بود از جمله: درک واکنش‌های شیمیایی گام به گام همچون یک فیلم اسلوموشن، یا ساخت دستگاه‌های الکترونیکی تک مولکولی مصنوعی مانند کوچک کردن اندازه ترانزیستور در یک تراشه کامپیوتری. حتی پیشنهاد شده‌است که شبیه‌سازهای کوانتومی بتوانند عملکرد کامپیوترهای کوانتومی را ایفا کنند. سیردا می‌گوید: «این مسیر طولانی است اما در حال حاضر می‌توانیم از این نقطه شروع کنیم که مولکول‌ها را  به طریقی که تا به حال ممکن نبود درک کنیم.»

منبع

Radboud University Nijmegen. “Breakthrough: Scientists develop artificial molecules that behave like real ones.” ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230608195633.htm (accessed June 8, 2023).