تا حالا به این فکر کردی اگه فیلتر آبت بتونه مثل یه سلول زنده خودش تصمیم بگیره که چی رو بذاره رد شه، چی رو نگه داره یا کی کارشو عوض کنه، چی میشه؟ خب، خبر خوب اینه که دانشمندان دانشگاه شیکاگو و نورثوسترن دقیقا دارن یه همچین چیزی رو میسازن!
کاری که این دانشمندها انجام دادن اینه که از کار سلولهای زنده الهام گرفتن. سلولها تو بدن ما همیشه دارن یونها (یعنی ذرات باردار، مثلا سدیم یا پتاسیم) رو از راه کانالهای خیلی کوچیک داخل غشاء خود عبور میدن و حسابی تو انتخابشون دقیقن. حالا بچههای این تیم اومدن یه غشاء مصنوعی ساختن که انگار مغز داره و میتونه انتخاب کنه کدوم یونها سریعتر یا کندتر ازش عبور کنن، دقیقا مثل کار سلولهای بدن!
حالا چطوری این کارو کردن؟ میگن یه غشاء خیلی نازک ۲بعدی ساختن (خب، ۲D nanochannel یعنی یه کانال خیلی نازک و باریک که تقریبا فقط چند تا اتم ضخامت داره!) داخل این کانال، وقتی یه مقدار خیلی خیلی کم از یونهای فلزی مثل سرب، کبالت یا باریم وارد کنن، رفتار غشاء حسابی تغییر میکنه. مثلاً فقط اگه ۱ درصد یون سرب اضافه کنن، عبور یون پتاسیم دو برابر میشه! دلیلش چی؟ این سربها کامیون نیستن که یون پتاسیم رو هل بدن جلو، بلکه باعث میشن یونهای رقیب یکم کند بشن و این جوری پتاسیم راحتتر با کلر ترکیب میشه، یه جفت خنثی درست میکنن (پتاسیم کلراید) و مثل لیز شدن تو سرسره، سریع از کانال رد میشه!
Mingzhan Wang که یکی از نویسندههای مقالهس، گفته هیجانانگیزترین بخشش اینه که با فقط یه ذره فلز اضافه کردن، میشه حسابی روی عبور یونها کنترل داشت. یعنی میشه غشاء رو طوری تنظیم کرد که یا مسیر رو بازکنه و یا ببنده، فقط با عوضکردن نوع و مقدار یونهای محیط. اگه بتونیم همچین کنترل ریزی داشته باشیم، راحت میشه آلایندههای خطرناک رو از آب گرفت، مواد ارزشمند مثل لیتیوم رو بازیابی کرد یا حتی تو باتریها و الکترونیک سیالاتی استفادهش کرد.
در این تحقیق، یه نکته جذاب داره: وقتی یونهای فلزی مثل سرب به گروههای استات (acetate) که به دیواره کانال چسبیدن وصل میشن، محیط الکترواستاتیک اونجا رو عوض میکنن. محیط الکترواستاتیک در واقع حال و هوای بارهای الکتریکی اطراف مولکولهاست که تاثیر زیادی روی رفتار یونها داره. این تغییر کاری میکنه که یونهای کلر منفی یکم آهستهتر حرکت کنن و این فرصت به پتاسیم میرسه که بپره روش! وقتی با هم جفت خنثی پتاسیم کلراید میشن، راحتتر از کانال رد میشن، چون حالا دیگه باردار نیستن که گیر کنن یا برخورد کنن.
جورج شاتز (یک استاد شیمی دانشگاه نورثوسترن) هم توضیح داده که وقتی این جفت خنثی ساخته میشه، مثل اینه که دیگه هیچی تو کانال نیست که بخواد مزاحمشون شه، واسه همین خیلی سریعتر رد میشه، در مقایسه با این که هرکدوم جدا رد شن.
یه نکته باحال دیگه اینه که اثرش قابل برعکسه! یعنی اگه بهجای سرب، کبالت یا باریم بریزی تو محیط، بازی قفل میشه! این دوتا (کبالت یا باریم) میان سر راه سرب وایمیسن و سر اتصال به دیواره باهاش رقابت میکنن. دیگه جفت پتاسیم-کلر کمتر درست میشه و پتاسیم کمتر رد میشه. دقیقا مثل اینه که دکمه روشن/خاموش رو بزنی روی «بسته» یا «باز»!
Qinsi Xiong، یکی دیگه از نویسندهها، گفته ما با تغییر نوع یونها، هم میتونیم اثر همکاری رو فعال کنیم که یونها با هم رد شن، هم میتونیم اثر بازدارنده بذاریم که رد نشه. اما برای فهم هسته اصلی این رفتار، از شبیهسازیهایی استفاده کردن که رفتار واقعی اتمها و یونها رو تو این کانال فوقریز مدل میکنه. شبیهسازی غیرتعادلی دینامیک مولکولی یعنی یه مدل کامپیوتری پیچیده که دقیقا نشون میده یونها و مولکولها تو شرایط غیرمتعادل (یعنی وقتی همه چیز ثابت و یکنواخت نیست) چطور حرکت میکنن و بهم واکنش نشون میدن. نتایج این شبیهسازیها هم با آزمایشها مطابقت داشته، پس تقریبا مطمئن شدن فیزیک قضیه رو درست درآوردن!
این تحقیقات فقط برای سرگرمی و داخل آزمایشگاه نیست! دانشمندان میگن اگه این تکنولوژی توسعه پیدا کنه، میتونه واقعا غشاءها رو به سیستمای باهوش تبدیل کنه. میشه فیلترهای آبی ساخت که خودشون تشخیص بدن چه یون سمیای باید برداشته شه و دقیقا همونو حذف کنن یا لیتیوم رو از آب دریا استخراج کنن بدون اینکه کلی آشغال اضافی تولید شه. جالبه بدونی، الان تو حوزهای به اسم «الکترونیک سیالاتی» (fluidic computing)، یونها دارن به عنوان واحدهای پردازش اطلاعات استفاده میشن! یعنی تصور کن به جای ترانزیستور، بر اساس جریان یونها توی کانالها، کامپیوترهای آینده ساخته میشن. اگه بتونی جریان یون رو مثل نرمافزار برنامهریزی کنی، تکنولوژیهای عجیبی ممکن میشه.
این کارها رو اخیرا یه مقاله تو Nature Communications هم منتشر کرده، پس حسابی رسمیه!
در کل، این یعنی دانشمندا دارن یه آینده متفاوت برای تصفیه آب، بازیافت فلزات ارزشمند و حتی الکترونیک میسازن؛ غشاءهایی که مثل یه سلول زنده، واقعا فکر میکنن و واکنش نشون میدن! کسی چه میدونه، شاید فیلتر آب خونت چند سال دیگه مغزدار بشه!
منبع: +
