كيمياء التجمع الذاتي فوق الجزيئي: آليات التعرف الجزيئي وتصميم الآلات الجزيئية الذكية

تركز الكيمياء العضوية التقليدية على دراسة وتشييد الروابط التساهمية القوية والمستقرة التي تجمع الذرات لتشكيل الجزيئات؛ غير أن فرعاً حديثاً ومتطوراً يُعرف بـ "الكيمياء فوق الجزيئية" (Supramolecular Chemistry) -والذي يوصف بكيمياء ما وراء الجزيء- يوجه جل اهتمامه نحو دراسة الأنظمة المعقدة التي تتكون من ترابط جزيئات متعددة مع بعضها البعض عبر روابط غير تساهمية ضعيفة ومؤقتة؛ وتعد ظاهرة "التجمع الذاتيفوق الجزيئي" (Supramolecular Self-Assembly) والتعرف الجزيئي الركيزة والعملية الأساسية لتصميم وتصنيع المواد والآلات الذكية النانوية. وتعتمد كيمياء التجمع الذاتي على قوى الترابط الضعيفة؛ مثل الروابط الهيدروجينية، وقوى فان دير فالس، والتفاعلات الكهرومغناطيسية بين الأيونات، بالإضافة إلى التفاعلات الكارهة للماء (Hydrophobic Interactions)؛ وتتميز هذه القوى بقابليتها للانعكاس والتغير السريع تحت تأثير المؤثرات الخارجية؛ وتتم العملية بآلية "التنظيم الذاتي التلقائي"؛ حيث تقوم الجزيئات بالتعرف الهندسي والمطابقة الفراغية الكاملة لبعضها البعض (التعرف الجزيئي) والارتباط التلقائي لبناء هياكل هندسية ثلاثية الأبعاد بالغة التعقيد والنشاط والتماسك دون أي تدخل بشري خارجي. وتحاكي هذه الآلية بدقة القوانين والعمليات الحيوية التي تعتمد عليها الأنظمة البيولوجية الحية لنسخ الحمض النووي وتنظيم عمل الهرمونات والإنزيمات داخل الخلية؛ وفتح هذا التخصص آفاقاً مذهلة للهندسة النانوية وصناعة المواد؛ ونال الكيميائيون جان ماري لين، وفرايزر ستودارت، وبن فيرينغا جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 لنجاحهم في تصنيع أولى "الآلات الجزيئية" (Molecular Machines)؛ مثل المحركات الدوارة والمضخات والمصاعد الجزيئية فائقة الصغر التي تعمل باستجابة وتحكم حركي لمؤثرات خارجية مثل الضوء أو التغير في درجة الحموضة (pH) والكهرباء. وتعد هذه المواد الذكية القابلة للبرمجة بإنشاء ثورة تطبيقية في مجالات الطب والتكنولوجيا؛ من بينها تصميم كبسولات لتوصيل الدواء بدقة متناهية إلى الخلايا المصابة بالسرطان دون تدمير الخلايا السليمة المجاورة (توصيل الدواء الموجه)، وتطوير أجهزة استشعار كيميائية حساسة للغاية قادرة على رصد الشوائب والسموم بتركيزات متناهية الصغر في الأغذية والمياه، وبناء جلود صناعية ومواد بوليمرية قادرة على الالتئام والإصلاح الذاتي عند حدوث الشروخ مظهرين تكامل كيمياء السطوح والترابط الجزيئي بنجاح.