ساخت کوچک‌ترین کانال مصنوعی جهان توسط محقق ایرانی

اعتمادآنلاین| ‌ دکتر علی اسفندیار، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف با همکاری یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور آندره گایم، محقق دانشگاه منچستر انگلستان و برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2010، اقدام به ساخت کانال‌های دو بعدی برای حذف 100 درصدی یون‌ها کردند. این گروه با استفاده از گرافن، کانالی ساختند که می‌تواند یون‌ها را از سیال جدا کند. نتایج یافته‌های اخیر این گروه با عنوان Complete steric exclusion of ions and proton transport through confined monolayer water در نشریه Science به چاپ رسید.

اسفندیار با اشاره به سابقه همکاری خود با این گروه با بیان اینکه از سال 2015 تا 2017 به عنوان محقق پسا دکتر در این گروه تحقیقاتی در دانشگاه منچستر و موسسه ملی‌ گرافن فعالیت داشتم، گفت: بعد از بازگشت به کشور و شروع فعالیت در دانشگاه صنعتی شریف به عنوان استادیار، همکاری خود را با این گروه در زمینه توسعه پروژه‌های پیشین این گروه طی دو سال گذشته ادامه دادم.

وی به جزئیات این پروژه اشاره کرد و ادامه داد: در این تحقیق که در قالب یک کار تحقیقاتی دانشگاهی اجرایی شد،‌ به‌ دنبال این سوال بودیم که وقتی دو بلور دوبعدی روی هم قرار گرفته‌اند و شکاف آنگسترومی میان آنها توسط گرافن به وجود می‌آید، آیا یک کانال دوبعدی بوجود آمده است؟ آیا ترابرد مولکولی از میان این کانال خواهیم داشت یا نه؟ با توجه به ابعاد یون‌ها که بزرگتر از 6 آنگستروم بوده و در واقع بزرگتر از این حفره 4 آنگسترومی هستند، چه واکنشی با این کانال دو بعدی خواهند داشت؟

این محقق با بیان اینکه این شکاف، کوچکترین شکافی است که امکان ساخت آن در آزمایشگاه تا کنون وجود داشته است، یادآور شد: در این تحقیق کانال‌هایی با قطر کمتر از 4 آنگستروم برای جداسازی یون‌ها ساخته شده است. با استفاده از این کانال، ترابرد و حذف 100 درصدی یون‌ها امکان‌پذیر است. ما نشان دادیم پروتون‌ با جهش‌هایی از میان زنجیره آب که در این کانال به دام افتاده، ترابرد می‌کند.

عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف با تاکید بر اینکه نتایج این پروژه درک بیشتری در ساز و کار ترابرد ایجاد می‌کند، خاطر نشان کرد: یکی از جنبه‌های جالب این پروژه آن است که توانستیم قطر کانال را به کمتر از یک نانو برسانیم، از آنجایی که در این مقیاس با اتم‌ها و یون‌ها روبرو هستیم، پدیده‌های جالب توجهی را در تعامل میان کانال و ترکیبات عبوری شاهد هستیم. حرکت به سوی فناوری آنگستروم و فناوری مقیاس اتمی شاخص و دستاورد این پروژه است.

به گفته وی، این اولین کانال یونی مصنوعی است که قادر به حذف 100 درصدی یون‌ها است.

اسفندیاری با تاکید بر اینکه امکان استفاده از دستاوردهای این پروژه در ایران وجود دارد، اظهار کرد: در حال حاضر تحقیقات گسترده‌ای در حوزه آب و انرژی در ایران انجام می‌شود که نتایج این پروژه می‌تواند برای محققان داخلی یک راهنمای مناسب باشد. یکی از مسیرهایی که می‌توان برای فازهای بعدی این پروژه تعریف کرد، بررسی چگونگی افزایش سرعت عبور آب است. همچنین می‌توان روی امکان تفکیک ایزوتوپ‌های مختلف توسط این کانال کار کرد، به‌طوری که امکان جداسازی ایزوتوپ‌های مختلف با این فناوری فراهم شود.

وی با اشاره به اهمیت اجرای این تحقیقات، یادآور شد: یون‌ها نقش مهمی در حوزه آب و انرژی ایفا می‌کنند، غشاهای رایج نسبت به یون‌ها، ابعاد بزرگی دارند و کنترل یون‌ها با این غشاها چالش بزرگی محسوب می‌شود. در حال حاضر از دافعه الکترواستاتیک میان یون و جداره غشاء برای جداسازی استفاده می‌شود. این روش کارایی 100 درصدی نداشته و برخی یون‌ها از غشاء عبور می‌کنند. از این رو کار روی ساخت چنین کانال‌هایی آغاز شد.

عضو هیات علمی دانشکده فیزیک دانشگاه شریف با بیان اینکه این پروژه در دو حوزه "زیستی" و "نمک‌زدایی" کاربرد دارد، گفت: در حوزه زیستی جایی که ما با سلول‌های عصبی روبرو هستیم، از نتایج این پروژه می‌توان استفاده کرد؛ چراکه در سامانه عصبی، کانال‌های یونی وجود دارد که یون‌های سدیم و پتاسیم از میان آنها عبور می‌کنند. ترابرد انتخابی یون‌ها از میان این کانال‌ها همیشه برای محققان چالش‌برانگیز بوده که چنین کانال‌های دوبعدی می‌تواند برای پاسخ به این سوال مورد استفاده قرار گیرد.

وی با اشاره به کاربردهای دستاورد این تحقیقات در حوزه نمک‌زدایی و شیرین‌سازی آب، خاطر نشان کرد: چنین کانال‌هایی که امکان کنترل ترابرد یونی را دارند، می‌توانند برای توسعه حوزه تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرند. علاوه‌ بر این، در حوزه‌هایی نظیر باتری و ابرخازن‌ها که عبور یون‌ها در ساز و کار محصولات نقش مهمی دارند، این کانال‌های دو بعدی قابل استفاده خواهند بود.

این محقق در خصوص تجاری‌سازی این فناوری، افزود: این کانال‌ها در مقیاس آزمایشگاهی قابلیت تولید انبوه دارند، اما برای استفاده در صنعت نیاز به پیدا کردن مواد جایگزین است که از نقطه نظر اقتصادی مقرون به‌صرفه باشد.

در واقع در این پروژه ما به مشاهده یک پدیده و شناسایی زوایای مختلف آن پرداختیم. برای تجاری‌سازی این یافته‌ها نیاز به تحقیقات تکمیلی است. گام بعدی این پروژه، صنعتی کردن آن است. همچنین می‌توان این فناوری را به گونه‌ای بهبود داد که تمام یون‌ها فیلتر شده و تنها آب از کانال عبور کند.

منبع: ایسنا