عدسة فائقة تساعد الميكروسكوب في رؤية أشياء أصغر
كتبت: يارا كمال
تستطيع عدسة جديدة فائقة قابلة للرش مصنوعة من كرات نانوية شفافة أن تعزز تكبير الميكروسكوب ليلتقط أخاديد البيانات الدقيقة التي توجد في أسطوانة بلو- راي.
رش مهندسون من الصين والمملكة المتحدة جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية الكروية على سطح. بحيث تركّز كل كرة نانوية شعاع رفيع من الضوء كمصباح يدوي دقيق مسلّط على هذا السطح، مما أتاح للباحثين التقاط صور لهياكل لم تكن مرئية من قبل بالنسبة للميكروسكوب الضوئي العادي. وعُرضت عدسة فائقة لإثبات المفهوم في جريدة ”Scientific Advances“.
تستطيع الميكروسكوبات الذي تستخدم الضوء (الميكروسكوبات الضوئية) إنتاج صور دقيقة للغاية لهياكل مثل البكتريا، ولكن هناك حد لمدى صغر حجم ما يستطيع التقاطه الميكروسكوب الضوئي.
أوجز العالم الفيزيائي الألماني ”كارل آب“ قانونًا في سنة 1873 يجعل كل أي شيء أصغر من أصغر بكتريا (حوالي 200 نانومتر- والنانومتر يساوي واحد على مليار من المتر) غير مرئي بالنسبة للميكروسكوبات الضوئية التقليدية، مما يجعل الكائنات الأصغر ومن ضمنها أغلب الفيروسات غير مرئية بالنسبة للميكروسكوب الضوئي، مما يعني أن عرض بقعة من الضوء لا يمكن أن تكون أصغر من نصف طولها الموجي.
ولكن هل هناك طريقة لتطوير مجهرية الميكروسكوب الضوئي العادي لمنحه كفاءة دقة تسمح بالتقاط الهياكل النانوية التي لم تكن مرئية من قبل؟
بالفعل يعمل المهندسون على الوصول إلى ذلك. إن العنصر المفضل في هذا المجال هو عائلة المواد الخارقة، وهي مواد صناعية تستطيع توجيه الضوء بطرق غريبة ومذهلة (على سبيل المثال، هي مرشح أساسي لاستخدامها في عباءات الإخفاء).
في 2011، عندما كان ”زينجبو وانج“ في جامعة مانشستر، أنتج هو وزملاؤه عدسة من مادة خارقة تضم كرات مجهرية من ثاني أكسيد السيليكون، وعندما رشوها على العينة، منحت الميكروسكوبات الضوئية قدرة على التقاط صور لأشياء عرضها 50 نانومتر فقط.
والآن في جامعة بانجور في ويلز، ”وانج“ جزء من فريق ابتكر عدسة من مادة خارقة بدقة أعلى. وبالاشتراك مع زميلين من جامعة فودان في شنغهاي و”بينج يان“، وهو مهندس زميل في جامعة بانجور، أسقط ”وانج“ نقط من كرات ثاني أكسيد التيتانيوم الصغيرة، والتي يبلغ عرض الواحدة منها 15 من مليون جزء من الملليمتر، على الأسطح.
عند رؤيتهم تحت ميكروسكوب، يمكن لتلك النقط أن تلتقط تفاصيل أقل من 45 نانومتر.
ولكن كيف نجحوا في الالتفاف حول الحد الذي وضعه آب؟
تستقر كرات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية التي في السائل والتي أُديرت في جهاز للطرد المركزي، في هيكل ثلاثي الأبعاد محكم مثل صندوق من الكرات التي سقطت فيه في ترتيب منظّم مع قليل من الهزهزة.
عندما يتألق شعاع من الضوء على قطرة من كرات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية، ينكسر. تمثّل كل كرة بذاتها عدسة، فتكسر الضوء وتوجهه كما لو كان شعاع مصباح يدوي مركّز.
تضيء الملايين من أشعة الضوء السطح المطلوب بدقة قوية، مما يزيد من تكبير الميكروسكوبات بحوالي خمسة أضعاف. يعود ذلك إلى معامل انكسار المادة الخارقة، فإذا وضعت معلقة في كوب من الماء، ستبدو الملعقة منكسرة عند السطح البيني بين الهواء والماء، وذلك لأن المياه تكسر الضوء بشكل مختلف عن الهواء، ما يعني أن معامل الانكسار لديها مختلف.
تعمل عدسة ثاني أكسيد التيتانيوم على طيف الضوء المرئي بأكمله، كما أنها رخيصة ومتوفرة، وبالتالي سوف تستطيع باقي المعامل تكرار هذا العمل، لاستخدامه في رؤية الميكروبات والفيروسات التي لم تكن مرئية من قبل.
المصدر:
