مشاهده نانومقياس (1694 كلمه مجموعاً در اين متن موجود است) (601 بار خوانده شده است)  مشاهده نانومقياس
12/09/1385
در اين مقاله،موضوعاتي همچون مجسم سازي دنياي نانو و تصويربرداري از مولكولها مورد بحث قرار گرفته و نكاتي براي انتقال بهتر مفاهيم از طريق تصاوير ارائه شده است.
يك مولكول آب شبيه چيست؟ يك لحظه فكر كنيد و آن را تصور نماييد. آيا دو حرف الفبا O و H با يك زيرنويس عددي در ذهنتان تصوير نميشود؟ آيا سه كره قرمز و سفيد شبيه يك بوم رنگ را تصور ميكنيد؟ آيا ابري از الكترونها و سه هسته بسيار ريز را مجسم ميكنيد؟ حالا DNA را تصور كنيد. اولين تصويري كه به ذهن شما ميآيد چيست؟ شما هم مانند بسياري از مردم، يك الگوي نردباني شكل، مانند پلكانهاي مارپيچ، كه بعضي وقتها داراي پلههاي رنگي هستند را تصور ميكنيد. شايد امروزه اين دو مولكول (آب و DNA) آشناترين مولكولها باشند.
بسياري مولكولها با نامهايشان شناخته ميشوند.هنگاميكه شما به پنيسيلين يا نايلون اشاره ميكنيد، بيشتر مردم ميدانند كه در حال صبحت راجع به چه چيزي هستيد. بيشتر مردم در مورد آب و DNA در ذهن تصوير خوبي از اين دو مولكول دارندكه اين نتيجه نمايش مؤثر اين مولكولهاست. تصاوير شماتيك فناورينانو در شكل (1) نشان داده شده است. يكي به صورت تجربي و ديگري كاملاً حدسي . هر دوي اين تصاوير موضوع نانومقياس را در شكلي جالب و يادآوردني نشان ميدهند. اشكالي از اين قبيل، قدرت بينظيري براي واقعي و ملموس كردن نانومقياس در دنياي آشناي ما دارند.
مجسمسازي دنياي نامرئي
نياز به خلق تصاويري از اشياي كوچكتر از طول موج نور، چالشي اساسي براي تصويرسازي مولكولي است. خوشبختانه، ما با تلاشهاي بسيار و استفاده از ويژگيهاي فيزيكي بنيادي مولكولها به اين هدف دست يافتهايم. اگر ما در محدوده نانومتر يا همان جايي كه اتمها براي تشكيل مولكولها به هم ميپيوندند، قرار داشته باشيم ميتوانيم (با اولين تقريب) با مولكولها به عنوان اشياي فيزيكي داراي شكل، اندازه و حالت، مانند اشياي آشناي دنياي اطرافمان رفتار كنيم. براي ايجاد يك تصوير از مولكول، دو مرحله مورد نياز است؛ اول آنكه تجسمي مجازي (representational metaphor)بكنيم كه زواياي برجسته يك مولكول را ضبط كند و آنها را به شكلي واضح و كاملاً قابل درك نشان دهد. اين تجسم مجازي سپس ميتواند در قالب يك مدل درآمده، با بهكارگيري تمامي روشهاي گرافيك رايانهاي يا رسانههاي متداول پردازش شود. انتخاب اين متافورها نياز به مهارت زيادي دارد. بيشترين استعداد و زيركي براي نمايش مولكولي در اين مرحله صرف ميشود. با نگاه به تصاوير زيستمولكولي كه دهههاست با اين مشكل دست به گريبان است، سه متافور متفاوت وجود دارد كه در آزمايش زمان مقاومت كردهاند. هر نوع تصويربرداري، يك يا چند ويژگي از مولكول را ثبت كرده، ولي بسياري از ويژگيهاي ديگر را بايد كنار بگذارد. اولين متافور، هندسه همظرفيت از مولكولها را ثبت ميكند. دياگرامهاي بهكار گرفته شده در شيمي و بيوشيمي، آشناترين مثالها از اين متافور هستند. خطوط، پيوندهاي همظرفيت را ترسيم ميكنند و حروف براي نشان دادن نوع اتمها بهكار ميروند. با حركت دادن آنها در سه بعد، اين اشكال به دياگرامهاي قاب سيمي (wireframe) يا ميله و گلوله (ball- and- stick) تبديل ميشوند كه امكان نمايش آنها به صورت اشكال رايانهاي تعاملي وجود دارد. اين نوع از دياگرامها براي درك طبيعت شيميايي بنيادي مولكولي مناسب است؛ اما در مورد شكل و اندازه به بيننده حس خوبي ارائه نميدهند. براي ارائه بهتر شكل مولكولي، مدل فضا پركن مطرح شد.
در اين مدل هر كره نمايانگر يك اتم است. اين اشكال، فضايي كه الكترونها اشغال كردهاند را نمايش ميدهند و معمولاً شبيه نماهاي ترسيمشده در نقشههاي تراكمي الكتروني تجربي هستند. دياگرامهاي فضا پركن، توده مولكولي كه نشاندهنده فضاي آزاد اشغال شده به وسيله الكترونهاست را نشان ميدهند. اين مولكولهاي قلمبه در يكديگر گير كرده، و رويهم سوار ميشوند. دياگرام نواري شماتيك آخرين متافوري است كه براي تصويرسازي بيومولكولي استاندارد شد. پروتئينها و اسيدهاي نوكلئيك هر دو در زنجيرههاي طولاني كنار هم چيده شدهاند و ساختاري فشرده را تشكيل ميدهند. براي درك اين پيچش، دياگرام شماتيكي ترسيم شده است كه توپولوژي اين زنجيره را نشان ميدهد. نردبان دوتايي مارپيچ DNA كه اولين بار توسط واتسون و كريك در روزنامهاي مشهور معرفي شد يك نمونه، و دياگرام نوارها و پيكانها (ribbons-and-arrows) معرفي شده از سوي جين ريچاردسون، نمونهاي ديگر براي پروتئينهاست. اين دياگرامها ابزارهاي ضروري براي درك پيچش بيومولكولها هستند. دياگرامهاي نواري، فضا پركن و پيوندي (Bond)، هر يك تصاويري جداگانه از يك مولكول هستند. بقيه متافورها تلاش ميكنند تا ويژگيهاي ديگري از تعامل مولكول با محيط را ثبت كنند. نمونه وسيع بهكار گرفته شده، سطح مايع قابل دسترسي است، كه تعامل يك مولكول را با مولكولهاي مايع ديگر در اطرافش نشان ميدهد. يك پروب مولكول آب در تمام سطح مولكول حركت ميكند و تمام نقاطي را كه لمس ميكند، ذخيره مينمايد. پتانسيلهاي الكترواستاتيك، ايدهاي مشابه است كه پروب آن به جاي مولكول مايع، يك ذره باردار است. تصاويري از فناوريهاي بررسي پروب، مانند شكل (1)، نيز تصاويري تجربي از تعاملات هستند. در اين مورد، از تعامل بين مولكول و نوك تيز پروب براي ايجاد تصوير استفاده ميشود.
تصويرسازي مولكولي امروزي
تصاوير مولكولي به عنوان بخشي ضروري در فناوري و علم نانومقياس مطرح هستند. قبلاً تصاوير مولكولي در محدوده كار محققان گرافيك رايانهاي و تصويرسازان علمي قرار داشت، و چنانچه شما براي مقالهاي نياز به عكس داشتيد، بايد به يك متخصص مراجعه ميكرديد. اما امروزه با ابزارهاي بسياري كه به صورت رايگان در دسترس هستند محققان، دانشآموزان و معلمان ميتوانند تصاوير مورد نياز خود را خلق كنند. اين ابزارها شامل جستجوگرهاي تعاملي سريع، مانند RasMol است كه ميتواند دهها هزار اتم را با هر يك از روشهايي كه در بالا توضيح داده شد، نمايش دهد. اين برنامهها قدرت شناسايي سريع و راحت مولكولهاي كوچك و ساختارهاي زيستمولكولي را دارند. همچنين برنامههاي زيادي براي خلق تصاوير با بهكارگيري فناوريهاي ارائه هنري وجود دارد. براي شروع آشنايي با بستههاي نرمافزاري قابل دسترس امروزي، به فهرست لينكهاي موجود در بانك اطلاعاتي پروتئين (PDB: Protein Data Bank) نگاهي بيندازيد. تحقيق درباره تصويرسازي مولكولي كاري پوياست. يكي از جالبترين توسعههاي اخير، بهكارگيري زبانهاي مفسر و مدولار مانند Python است. اين برنامه امكان تركيب آسان كاربردهاي علمي و ارائه (شكل ?) آنها را فراهم ميكند. پيشرفتهاي اخير ديگر شامل روشهاي سريع پيشنمونهسازي (prototyping) براي خلق مدلهاي فيزيكي ساده سه بعدي از مولكولهاي پيچيده، و تحقيقات مستمر پيرامون روشهاي مؤثر واقعيت مجازي براي تجربه عميقتر است.
خطرات تصاوير
عكسها با خود خطر موزيانهاي به همراه دارند: جذابيت تصاوير ممكن است باعث رقابت آنها با واقعيتهاي علمي شود. خلق تصاوير ممكن است به گونهاي باشد كه تخيل بر علم برتري يابد و دردسر وقتي به وجود ميآيد كه اين تفاوت قابل تشخيص نباشد. علم فضا دهها سال پيش با اين چالش روبهرو بود. در سالهاي اوليه اكتشاف فضا، مردم گرايش خيلي زيادي به سمت تصاوير هنرمندانه داشتند. قبل از اينكه پا روي ماه بگذاريم يا حتي دوربيني به سيارهها بفرستيم، هنرمنداني مانند چسلي بونستل ما را به آنجا بردند. اين تصاوير، هيجان مردم را برانگيخته، تخيل آنها را شعلهور ميكرد؛ ولي اين تصويرسازيها گمراهكننده بود: اما به نظر ميرسد تصاوير امروزي از سفر به ستارگان و جنگ ستارگان به واقع همان عكسهايي است كه از فرود آمدن آپولو داشتيم. فناوري نانو نيز به طور خاص با اين خطر رو به روست. با روشهاي مدلسازي مولكولي رايج، تمام روشهاي مبتني بر مدلهاي مولكولي قابل دسترس شده و گرافيستهاي رايانهاي ميتوانند تصاوير قابل باوري از آنها را خلق كنند. بدون توضيح دقيق درباره آنچه نشان داده شده، معمولاً بسيار سخت است كه علم را از گمان، و واقعيت را از تخيل جدا كنيم.
زيباييشناسي
خلق يك تصوير مؤثر، چالشي دائمي محسوب ميشود و ميتواند منشأ لذت در عمليات اكتشاف و جستجوي نانومقياس باشد. در مقابل بايد گفت كه در روشهاي علمي، تصويرسازي معمولاً شخصي است و به آزمايشهاي فرد بستگي زيادي دارد. در اين بخش به توضيح چندين راهبرد كه براي شكلگيري كار از آنها استفاده شده است ميپردازيم. اولين و مهمترين قدم براي ايجاد يك تصوير، مشخص كردن مخاطبان آن است. در هنگام ايجاد يك عكس، لازم است نوعي از تصويرسازي را بيابيم كه بتواند ارتباط خوبي با بينندگانش برقرار كند.
شكل بالا شكل (7a )يك شكل تحقيقاتي است كه براي بيان يك نتيجه طراحي شده است. اين شكل براي يك مقاله علمي طراحي شده و مخاطبان آن دانشمندان هستند. شايد تنها هنرمندي بهكار گرفته شده در اين تصوير، استفاده از سطوح يكسان (isosurface) و منبع نور به جاي خاكستري (grayscale) ساده است كه تصوير سه بعدي ما را بهتر نشان ميدهد. شكل سمت راست شكل (7b)براي مخاطبان غيرفني و نامحدودتري ترسيم شده است. اين شكل به نوعي طراحي شده تا به عنوان تصويري از فناورينانو معرفي شود. اين شكل با معماري ماهرانهاي پر شده است، مانند مرتفعتر نشان دادن ابعاد و منابع نور رنگي غيرعادي كه اگر چه هيچ كاربرد علمي ندارد، ولي براي خلق يك تصوير مهيج و جالب مناسب است. از اين تصوير هرگز در مجلات علمي (برخي از كارشناسان شديداً به اين مورد اشاره كردهاند) استفاده نميشود، ولي براي مقالهاي در مجله تايم يا نيوزويك عالي است. همچنين توجه به پيشفرضهاي نرمافزازي مهم است. هر نمايشگر مولكولي با دستهاي از پيشفرضهايي كه برنامهنويس انتخاب كرده، تنظيم شده است و ممكن است براي هر كاربرد جديدي مناسب نباشد. هيچ استانداردي براي اين پيشفرضها وجود ندارد و معمولاً تصاوير توليد شده به وسيله هر برنامه، كاملاً با بقيه متفاوت است (شكل 8). آزمايش انواع رنگ، چشمانداز و نحوه نمايش، زمان زيادي ميبرد، اما در نهايت تصويرسازي مؤثر و بهتري ايجاد خواهد كرد. البته در تغيير برخي پيش فرضها بايد دقت كرد زيرا برخي رنگها براي خيلي از شيميدانها و زيستشناسان كاملاً آشنا و شناخته شده است و تغيير آنها موجب برداشت غلط در مخاطب ميشود.
تصويرسازي مولكولي در آينده
به موازات پيشرفت علم و فناوري، چالشهاي جديدي براي نمايش بصري آن به وجود ميآيد كه بسياري از آنها چالشهاي ناشي از مقياس است. معمولاً ساختارهاي بزرگ زيستمولكولي مانند ريبوزومها، محدوديت كمتري در ارائه تصاوير قابل درك دارند. همچنين تصويرسازي با چالشهاي مفهومي بسياري روبهروست، تا جاييكه مبحث مولكولي آن قدر بيگانه است كه ما هنوز به دنبال متافورهاي مؤثر براي نمايش ميگرديم. به طور قابل ملاحظهاي، نمايش قابل درك ويژگيهايي مانند الكترواستاتيك يا آبگريزي، با مشكل روبهروست و تصويرسازي ديناميك مولكولي، رشتهاي است كه هنوز در آغاز راه است. به هر حال از آنجايي كه علم نانومقياس روز به روز پيچيدهتر، جزييتر و موفقتر ميشود، بايد فناوريهاي بصري براي واقعيتر ساختن آن توسعه يابند
مترجم :مانا رهبري
منبع :فارس |
