پلاسمونیک و دنیای مولکولی

گرافیک ، نشان دهنده برنامه های کاربردی بالقوه و فعلی‌ای است که اکنون برای پلاسمونیک در حال کاوش شدن است ، از جمله در رداهای نامرئی‌گری ، رایانه های نوری بسیار سریع ، دستگاه های تصویربرداری با وضوح بالاتر ، حساسیت رنگ بهتر در دوربین ها ، سلول های خورشیدی جدید ، اتصالات فیبر نوری سریعتر ، سرطان درمانی های تومور کُش، و لیزرها برای اتومبیل های خودران.
 
در نبرد با سرطان سینه ، داروی هرسپتین یک هم پیمان ثابت است و برخی از انواع تومورها را مهار می کند و به زندگی طولانی تر کمک می کند. با این وجود تقریباً همه سرطانها در نهایت مقاومت می کنند.
 
تا همین اواخر ، علت اصلی این مقاومت ، بر محققان آشکار نبود. اما، در همین موقع، وِی وانگِ شیمیدان تکنیکی را برای ردیابی چگونگی اتصال مولکولهای منفرد هرسپتین به سلول های سرطانی توسعه داد. وی دریافت که پروتئینی در غشاهای سلول های مقاوم در حال از شکل انداختنِ مولکولهای گیرنده است که هرسپتین بر روی آنها چنگ می زند ، و به دارو دستگیره‌ای نمی دهد.
 
این بینش پزشکی مدیون فیزیک است - به طور خاص در زمینه توانایی فلزات برای هدایت نور در مقیاس های نانومتر ، که رشته ای تحقیقاتی شناخته شده تحت عنوان پلاسمونیک است. محققان با معرفی سلولهای سرطانی به هرسپتین از یک طرفِ یک ویفر طلا و مشاهده تغییرات در این که چگونه نور از طرف دیگر بیرون انداخته شد ، توانستند ببینند که چگونه این دو دسته - سلول سرطان و داروی سرطان - با هم تعامل دارند و بدین ترتیب مکانیسم قاطع مقاومت هرسپین را آشکار کردند.
 
قرن ها مردم از فلزات برای دستکاری گذرگاه نور استفاده می کردند ، گرچه تنها اخیراً از این پدیده برای درک بیماری هایی مانند سرطان استفاده شده است. ورق های بزرگ فلز براق – یا به عبارت دیگر "آینه ها" - مانند تابلوهای ورود ممنوع برای فوتون‌هاست و این ذرات نور را در حالت های عمدتاً تغییر نیافته بازتاب می دهد. اما پوسته های فلزی میکروسکوپیک متفاوت هستند: آنها بیشتر شبیه پلیس راهنمایی و رانندگی عمل می کنند ، و اجازه می دهند رنگ های خاصی از نور عبور کنند و دیگران را مسدود می کنند.
 
یکی از قدیمی ترین نمونه های این پدیده در عمل ، یک جام رومی قرن چهارم است که با عنوان جام لیکورگوس شناخته می شود. به طور معمول ، جام شیشه ای سبز و مات به نظر می رسد. اما اگر جام را از داخل روشن کنید ، شیشه به رنگ قرمز نیمه شفاف می درخشد. این به این دلیل است که ذراتی به اندازه نانومتر از طلا و نقره که در شیشه معلقند نور سبز را منعکس می کنند و اجازه می دهند نور قرمز عبور کند.
 
در ساخت جام ، صنعتگران رومی اتفاقاً به یک هم افزایی بین الکترون ها ، فلزات و نور برخورد کرده بودند که هیچ کس برای 16 قرن دیگر نتوانست متوجه آن شود: الکترون ها در بعضی از فلزات، هنگامی که فقط با طول موج مناسب نور مرتعش شوند، تشدید خواهند شد، که این مسیر خود نور را تغییر می دهد.
 
امروز ، رشته پلاسمونیک در حال شکوفایی است. در حدود 20 سال گذشته یا در همین حدود ، محققان رویکرد بسیار آگاهانه تری برای بهره برداری از این رفتار اتخاذ کرده اند و به ایجاد نانوساختارهای مناسب شده، که نور را در حجم هایی تقریباً به اندازه مولکول های تکی فشرده و دستکاری می کنند، پرداخته اند.
 
هَری اَتواتر، پیشگام پلاسمونیک کلتِک، می گوید توانایی تمرکز نور در مقیاس نانو اینگونه از کار درآمد که امتیاز چندین برنامه کاربردی بالقوه را دارد. بسیاری از کاربردها به حل مشکلات مربوط به حسگری شیمیایی ، انتقال داده ، سرطان درمانی و ناوبری برای اتومبیلهای بدون راننده کمک می کنند. اَتواتر می گوید: "به همین دلیل این رشته بسیار هیجان انگیز است و به همین دلیل بسیار وادار کننده است ... بسیار بین رشته ای است."
 
توانایی دستکاری نور و الکترون ها با دقت نانومتر، اینگونه از کار در آمد که در طیف گسترده ای از کاربردها مفید است مانند تصویربرداری سوپر hi-res ، روشهای درمانی هدفمند برای تومورها ، راهنمایی برای اتومبیل های خودران، و شاید برای حتی اهداف خیالی تر، مثل نامرئی کردن اشیاء روزمره.
 

یکی از موفق ترین کاربردهای پلاسمونیک ، حسگر زیستی است که در آن محققان سعی می کنند وجود (یا عدم حضور) مولکولهای بیولوژیکی مرتبط را تشخیص دهند. به طور معمول ، این موارد برای دیدن با نور بسیار کوچک هستند و اگرچه روش هایی برای برچسب زدن بر آنها وجود دارد ، این تکنیک ها اغلب گران یا دست و پا گیر هستند یا مولکول ها را به روش هایی که مانع مطالعه آنها می شود ، تغییر می دهند. الکترون ها در بعضی از فلزات، هنگامی که فقط با طول موج مناسب نور مرتعش شوند، تشدید خواهند شد، که این مسیر خود نور را تغییر می دهد. جایگزین ارائه شده دیگر، پلاسمونیک است که در آن نور به حجم های مولکولی محدود می شود. در چنین شرایطی ، "آنچه شما می توانید به دست بیاورید تعامل بسیار قوی نور با ماده است" ، این گفته هتیس آلتوگ ، محقق موسسه فدرال فناوری در لوزان  سوئیس است. و همین امر باعث می شود نور نسبت به تغییرات یا وجود مولکولهای منفرد در آن حجم بسیار حساس باشد. (برای یک بررسی جامع تر چگونگی کمک پلاسمونیک به حسگری زیستی ، این مقاله 2018 صفحه ای را در مجله مرورهای شیمیایی ببینید.)
 
وانگ ، از دانشگاه نانجینگ چین ، و همکارانش می خواستند این توان را به رشته داروسازی بکشانند. بخشی از فرایند طراحی داروهای جدید ، درک چگونگی تعامل مولکولها با سلولهای بدن است ، اما این امر معمولاً نیاز به دیده بانی بر تعامل یک سلول در یک زمان دارد ، که شدیداً پرزحمت است. وانگ می گوید اگر راه هایی برای دیدن مولکول های دارویی زیاد در حال تعامل همزمان با سلول هایی زیاد وجود می داشت ، این امر واقعاً می توانست سرعت کار را افزایش دهد.
 
یک روش سعی و خطا شده برای ردیابی چنین فعل و انفعالاتی ، الکتروشیمیایی است - هدایت یک جریان الکتریکی از طریق مجموعه ای از مولکول ها و سلول ها. با ردیابی تغییرات در جریان، محققان می توانند نرخی که در آن مولکول ها به سلول ها می چسبند و از آنها جدا می شوند را اندازه گیری کنند.
 
منبع: کریستوفر کراکت