آینده ای که در دستان علم است

چند اتفاق که می تواند به تحول علم و تکنولوژی کمک کند

 


آنچه مسلم است این است که زندگی روزمره ما با علم و تکنولوژی پیوند خورده و از آن گریزی نداریم. اگر تا چندی پیش تنها چند دانشمند برجسته بودند که آینده علم را در دستان خود داشتند، امروز تعداد دانشمندان و محققان از شمار بیرون است. آن ها با نگاه به مسائل مبتلابه روزگار مدرن، چندین گام پیش از مردم عادی برمی دارند و با تحقیقات خود، مسیر رشد و پیشرفت بهینه را هموار می کنند. آنچه در پی می آید، چند روایت است از فعالیت این دانشمندان در زمینه بهبود کیفیت زندگی آیندگان.

رفتار دوگانه پروتئین ها
در دنیای علم گاهی اوقات حتی دانشمندان بسیار باتجربه از یک نتیجه کاملا غیرقابل پیش بینی شگفت زده می شوند. این برای استاد بیوفیزیک دانشگاه ایالتی آریزونا، دکتر استوارد لیندسی، کسی که سال ها مشغول مطالعه و توسعه میکروسکوپ های جدید است، اتفاق افتاد. تلاش های او به نوعی به چشمان فناوری نانو بدل شده و دستگاه هایی را برای بررسی ارزان قیمت رشته های دی ان ای و پروتئین ها توسعه داده است. طی این فرایند، تیم تحقیقاتی دکتر لیندسی به چیزهایی پی برده، از جمله این که مولکول های یکسان در هنگام اتصال بین یک جفت الکترود که پایه مکانیسم کارکرد دستگاه های آنالیز دی ان ای است، چگونه رفتار می کنند.
این تکنولوژی تشخیص تونلی (tunneling recognition)  نامیده می شود و در آن تک مولکول ها به درون یک ریزحفره، مشابه سوزن نخ کردن در خیاطی، زنجیر می شوند. هنگامی که مولکول ها به درون این لانه خرگوش در ابعاد نانو می پرند، الکترودها خواص الکتریکی مولکول های دی ان ای یا مولکول های اسیدآمینه را برای تعیین هویت توالی آن ها اندازه گیری می کنند. پس از صرف مقدار قابل توجهی زمان برای ساخت دستگاه های آنالیز دی ان ای و اسیدآمینه، پژوهشگران تصمیم گرفتند کل پروتئین ها را با این روش بیازمایند. دکتر لیندسی می گوید: «هدف تکنولوژیکی در این جا این بود که بفهمیم آیا می توانیم از این تکنولوژی برای شناسایی کل پروتئین به صورت الکترونیکی استفاده کنیم؟»
حدود چهار سال پیش، تیم تحقیقاتی دکتر لیندسی یک نتیجه آزمایشگاهی را به دست آورد که باورکردنی به نظر نمی رسید. همانند بسیاری از شگفتی های علمی، این نتیجه هم برخلاف تمام اصول علمی ظاهر شد. او شرح می دهد: «آنچه ما در این جا انجام داده ایم، استفاده از تشخیص تونلی برای اندازه گیری هدایت الکتریکی پروتئین های دست نخورده است. ایده این بود که اگر شما به طور خاص می توانید کل پروتئین را در بین یک جفت الکترود به دام اندازید، شما یک توالی یاب الکترونیکی پروتئین در اختیار دارید. پتانسیل داشتن یک دستگاه که بر پایه فناوری نانو کار می کند و آن قدر حساس است که می تواند برای شناسایی یک تک مولکول پروتئین به کار رود، آن را به ابزار نوینی برای تشخیص در پزشکی بدل می سازد.»
دکتر لیندسی می گوید: «تصور این بود که پروتئین ها که از مولکول های پایه ای حیات در تمام سلول ها به حساب می آیند، از دیدگاه هدایت جریان الکتریسیته خنثی محسوب می شوند. در واقع مشابه ترکیبات عایق جلوی جریان الکتریسیته را سد می کنند. مجموعه گسترده ای از داده ها در مورد ویژگی های الکتریکی پروتئین ها به صورت ضد و نقیض وجود دارد؛ عده ای اعتقاد دارند پروتئین ها می توانند به عنوان مولکول های  هادی جریان الکتریسیته عمل کنند، از طرف دیگر این دیدگاه به صورت قطعی توسط دسته دیگر از پژوهشگران رد می شود. چهار سال پیش، یکی از دانشجویان به نام یانان ژائو، به این ویژگی پروتئین علاقه مند شد و آزمایشی را طراحی کرد. او یک پروتئین را بین دو الکترود قرار داد و ولتاژ را بالا برد. معجزه ای اتفاق افتاد؛ پروتئین مانند یک فلز عمل می کرد، یعنی هدایت جریان الکتریکی به صورتی قابل ملاحظه. اگر نتایج درست باشد، شگفت آور خواهد بود.»
پس از چندین سال مطالعه آن آزمایش و تلاش برای یافتن مواردی که احتمال دارد در زمان انجام آن تست اشتباه انجام شده باشد، نتایج به دست آمده در مجله آینده نانو به چاپ رسید. دکتر لیندسی می گوید: «این مقاله تمام توضیحات جایگزین را در توجیه نتایج به دست آمده مورد بررسی قرار می دهد تا تمام جنبه ها مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند.»
اولین نتایج قابل ملاحظه به کمک فناوری به دست آمد که خود دکتر لیندسی از پیشگامان آن به حساب می آید؛ میکروسکوپ تونلی اسکن کننده یا SMT. پروتئینی چسب مانند به نام اینتگرین که کمک می کند تا سلول ها به یکدیگر بچسبند و به بافت و ارگان بدل شوند، در این پژوهش به کار گرفته شد. از قسمت نوک میکروسکوپ یک الکترود دیگر امتداد می یابد که به یک پروتئین کوچک به نام لیگاند متصل می شود که به صورت ویژه به پروتئین اینتگرین می چسبد. زمانی که در جای خود قرار بگیرد، میکروسکوپ یک بازوی بالابرنده و یک کاوشگر دارد که لیگاند را در برابر هدف خود یعنی اینتگرین قرار می دهد. شگفتی از این جا آغاز می شود.
دکتر لیندسی شرح می دهد: «من در ابتدا باور نکردم، زیرا چیزی که دیده شد، هنگامی که کاوشگر در فاصله زیادی از سطح قرار داشت، یک موج عظیم جریان بود. این فاصله برای جاری شدن الکتریسیته از طریق جهش الکترونی بسیار بزرگ به حساب می آمد، همان گونه که در فناوری توالی یابی تشخیص تونلی رخ می دهد. این پدیده تنها به کمک تونل زنی الکترون ها قابل توضیح نبود. در طی این پژوهش یکی از لحظات اثرگذار، دیدن مقالات بیوفیزیک دانان دیگر از جمله گابر واتی از دانشگاه اتوس لوراند در بوداپست مجارستان بود. ما مجموعه ای از اطلاعات را که طی چندین سال به دست آمده بود در اختیار داشتیم، سپس من مقاله دکتر واتی را که در ارتباط با برخی مکانیسم های اعجاب آور فیزیک کوانتوم بود، مطالعه کردم. روشن شد سطح انرژی که در فاصله یک سیستم کوانتومی جای دارد سبب القای هدایت یا عدم هدایت جریان الکتریسیته می شود. نمایشی ویژه از یک حالت بین عایق یا  هادی الکتریسیته بودن وجود دارد و در آن پژوهش دکتر واتی به تعدادی پروتئین پرداخته بود که در حالتی بحرانی قرار داشتند. یک استثنا برای این حالت تار عنکبوت است که یک پروتئین ساختاری خالص به حساب می آید. از دیدگاه تئوری نوسانات جریان الکتریسیته می تواند یکی از این ویژگی ها را (هادی یا عایق) القا کند. در پژوهش ها متوجه شدیم این رفتار دوگانه و عجیب پروتئین ها در تعداد زیادی از آن ها نه به صورت ایستا که به گونه ای پویا دینامیک دیده می شود. هنگامی که ولتاژ در سراسر پروتئین افزایش می یابد، تپش های الکترونی با فرکانس زیاد گسترش یافتند و یک آستانه برای عبور وجود دارد. در زیر یک مرز خاص، پروتئین فقط یک عایق است اما هنگامی که نوسانات شروع شوند آن ها  هادی می شوند. به همین دلیل با دکتر واتی تماس گرفتم و او باید از برخی از بهترین ابررایانه های اروپا برای بررسی پروتئین بزرگ ما بهره می برد.»
به صورت پایه ای، سه نمودار برای توزیع فضاهای سطح انرژی وجود دارد؛ یکی در ارتباط با حالت فلزی است، دیگری با حالت عایق مرتبط است و سومی با حالت بحرانی کوانتومی. در مرحله بعد، تیم دکتر لیندسی توانست یک ابزار فناوری نانو طراحی کند که به صورت بسیار ظریف مجموعه ای دیگر از پژوهش ها را مورد کنترل قرار دهند، این وسیله یک فاصله با دقت حساب شده داشت که پروتئین و میزان اختلاف پتانسیل اعمالی بر آن را به خوبی تحت کنترل داشت.
دکتر لیندسی می گوید: «نکته جالب در مورد تراشه ابداعی این بود که ما می دانستیم می توانیم آن ها را به اندازه کافی کوچک طراحی کنیم تا جایی که تنها یک تک مولکول پروتئین در بین فاصله مورد نظر قرار گیرد. این تغییر بزرگی نسبت به پژوهش های پیشین محسوب می شد، زیرا در موارد قبلی پژوهشگران نمی دانستند در نوک میکروسکوپ چه می گذرد. در این تراشه به راحتی قابلیت هدایت الکتریکی در پروتئین ها خاموش و روشن می شود. این پژوهش راه را برای بررسی ویژگی های الکتریکی پروتئین ها می گشاید.»
دکتر لیندسی ادامه می دهد: «اکنون عده ای از محققان اعتقاد پیدا کرده اند که پروتئین ها در واقع اشیائی از دنیای مکانیک کوانتوم هستند. در مرحله بعد سایر پروتئین هایی که از دیدگاه علم پزشکی اهمیت دارند بررسی خواهند شد و رفتار آن ها با کمک این روش های مرتبط با فناوری نانو مورد سنجش قرار خواهد گرفت. آیا امکان دارد که پروتئین هایی که برای تندرستی یا بیماری ها حیاتی محسوب می شوند رفتاری شبیه فلزات داشته باشند؟ از دیدگاه جریان الکتریسیته عایق به حساب آیند؟ در یک چیز اطمینان وجود دارد و آن هم این است که روشی نوین برای بررسی رفتار پروتئینی ایجاد شده که در گذشته در دسترس نبود.»

الهام از طبیعت برای استحصال انرژی نور
باکتری های سبز گوگردی در آب های سرد دریای سیاه زیست می کند. برای پشتیبانی از حیات، این جاندار انرژی خود را از تابش آفتاب که با شدت بسیار ضعیف به اعماق دریا می رسد، تامین می کند. گیاهان دقیقا از همین روش شگفت آور بهره می برند؛ جمع آوری انرژی نهفته در تابش خورشید و تبدیل آن به مواد قندی. این پدیده که برای میلیون ها سال است پایه حیات در کره خاکی ما را فراهم آورده و در کف زنجیره غذایی جای دارد، فتوسنتز نامیده می شود.
تیمی از پژوهشگران از دانشگاه آریزونا،  هاروارد و ام آی تی قصد دارند فتوسنتز را دقیق تر بررسی کنند تا به جزئیات بیشتری از این پدیده پراهمیت دست یابند. نتایج پژوهش آن ها به طراحی سیستم های مصنوعی جمع آوری انرژی، تبدیل و انتقال آن کمک می کند و می تواند به ابداعات نوینی جهت استفاده از انرژی خورشید، فناوری های نانو، علوم مهندسی مواد و فوتونیک منجر شود. دکتر  هائو یان از موسسه طراحی  زیستی دانشگاه آریزونا و از محققان این پژوهش می گوید: «این همکاری بین دانشگاهی امکان استفاده دقیق از فناوری نانو مرتبط با رشته های دی ان ای را برای کنترل و برنامه ریزی کروموفورها جهت شبکه های استحصال انرژی آینده نشان می دهد.»
در سیستم های طبیعی مانند گیاهان و باکتری های فتوسنتزکننده سازماندهی فضایی کروموفور های فشرده برای انتقال کارآمد و جهت دار انرژی ضروری است. چنین سیستم های زیستی روی یک اسکلت تشکیل شده از پروتئین، کروموفور ها را به روشی دقیق تنظیم می کنند. تقریبا تمام حیات روی کره زمین به صورت مستقیم یا غیرمستقیم به فتوسنتز وابسته است. ارگانیسم هایی که از این پدیده استفاده می کنند، انرژی خورشید را به دریافت کننده هایی که فوتون های نور را جمع آوری می کنند، منتقل می کند. این انرژی به مراکز واکنش منتقل می شود یعنی جایی که استحصال شده و در سیستم های زیستی به صورت های دیگر ذخیره انرژی، مثل قندها بدل می شود. کل این فرایند رقیبی بسیار قوی برای کارآمد ترین سلول های خورشیدی دست بشر است.
تلاش ها برای درک سیستم های استحصال نور طبیعی در گیاهان و باکتری های فتوسنتزکننده به یک قرن گذشته بازمی گردد. اگرچه مکانیسم این پدیده به صورت کلی روشن شده اما جزئیات آن بسیار پیچیده است، به گونه ای که ساخت نمونه مصنوعی از یک سیستم فتوسنتز کننده تاکنون میسر نشده است. فتوسنتز در گیاهان به وسیله تبدیل فوتون های نوری که به کروموفور ها برخورد می کنند به فرم دیگری از انرژی به نام اگزسیتون صورت می پذیرد. اگزسیتون در واقع حالتی از انرژی در یک مولکول یا گروهی از مولکول های جفت شده است، پس از این که با دریافت نور به سطح بالاتری از انرژی دست می یابند. اگزسیتون ها در سیستم های فتوسنتز طبیعی و همچنین در تلاش های پژوهشی برای تقلید از طبیعت اهمیت دارند، زیرا آن ها می توانند انرژی را از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل کنند. این انرژی در نهایت برای حرکت دادن الکترون ها مصرف خواهد شد. انتظار می رود در قرن آینده با توجه به فاصله گرفتن از مصرف سوخت های فسیلی، به دلایل مختلفی از جمله هزینه ها، آلایندگی و گرمایش اقلیمی، خورشید بخش قابل توجهی از نیاز بشر به انرژی را تامین کند. برای رسیدن به این هدف محققان باید چگونگی دریافت، ذخیره سازی و انتقال انرژی خورشیدی را با بیشینه عملکرد و قیمت مناسب یاد بگیرند.
در این پژوهش نوعی مولکول های رنگ که به بازه های ویژه از انرژی طیف نور پاسخ می دهند به عنوان کروموفور های مصنوعی مورد استفاده قرار گرفتند. با کمک استفاده از یک چارچوب مولکولی ساخته شده از مولکول دی ان ای، مکان های نسبی مولکول های رنگ به صورت دقیق قابل کنترل بودند و بنابراین عملکرد تقلید از سیستم های طبیعی بهبود می یابد. این اسکلت که از مولکول دی ان ای تشکیل شده، می تواند از شش تک رشته به صورت خود به خود حاصل شود. رمز کار در تنظیم بازهای تشکیل دهنده مولکول دی ان ای به صورت مناسب است تا عمل جفت شدن آن ها به سادگی میسر شود. این فرم که به پایه فناوری نانو مولکول دی ان ای بدل شده، به عنوان همپوشانی دوگانه یا DXtile معروف است. این روش به صورت متداول برای ساختن رشته های دی ان ای مصنوعی در آزمایشگاه به کار می  رود.
این روش اجازه می دهد تا چیدمانی بهینه از کروموفورها مدلسازی شوند و یک مدار استحصال انرژی نور ایجاد شود که می تواند انرژی فوتون جذب شده را در طول مسیر و در امتداد ساختار دی ان ای با حداقل هدرروی انرژی در طی راه، حمل کند. دکتر وودزبری از موسسه طراحی  زیستی دانشگاه آریزونا و از محققان این پژوهش می گوید: «توانایی الهام گرفتن و ساخت مدارهای مولکولی برای جمع آوری انرژی نور و حرکت دادن آن به طور مداوم و به صورت کنترل شده، در را برای طراحی و توسعه انواع دستگاه های بر پایه فناوری نانو که توسط نور تامین انرژی و کنترل می شوند، باز می کند. این مدار مصنوعی امکان استفاده دقیق از جذب طیف های نور کروموفورها را به گونه ای شبیه به سیستم های طبیعی ممکن می سازد. این را می توان تا حدودی با کنترل جهت گیری مولکول های رنگ و فاصله آن ها از یکدیگر به صورت دقیق کنترل کرد.
به تازگی محققان مشخص کرده اند که بخشی از موفقیت سیستم های فتوسنتزی طبیعی به علت اثرات فیزیکی پایه ای متعلق به دنیای کوانتوم است. به نظر می رسد که در موجودات فتوسنتزکننده که کروموفورهای متفاوتی دارند (که به صورت مستحکمی در کنار یکدیگر بسته بندی شده اند)، تحریک نوری بین مولکول ها به اشتراک گذاشته می شود. این ویژگی که به عنوان انسجام کوانتومی شناخته می شود، می تواند کارایی انتقال انرژی را به طور قابل توجهی افزایش دهد. این یکی از دلایلی موفقیت گیاهان و باکتری های فتوسنتزکننده در انجام این پدیده به حساب می آید.
در این مطالعه، ویژگی های امکان خودسرهم بندی مولکول دی ان ای و کروموفورها به گونه ای دقیق مورد استفاده قرار گرفت تا موقعیت های توده های جی کروموفور روی DXtile روشن شود. توده های جی کروموفور قابلیت جمع آوری نوری دارند که شبیه آنتن های استحصال نور در باکتری های ارغوانی فتوسنتزکننده هستند. قدم اول شناسایی بازه اندازه رنگ توده های کروموفور بود که می توانستند با موفقیت روی مولکول دو رشته ای دی ان ای خودسرهم بندی داشته باشند و همزمان ویژگی های انتقال کارآمد انرژی را حفظ کنند.
مدلسازی نشان داد که کمترین طول مولکول دی ان ای که برای جای دادن یک توده جی کرموفورها لازم است، هشت جفت باز خواهد بود. در مرحله بعد با کمک قواعد فیزیک کوانتوم برای هدایت سرهم بندی صحیح چندین توده مجزای رنگ داخل یک  DNA DXtile، یک مدار چار  چوب کروموفوری روی یک tile بر پایه DXtile طراحی، مدلسازی و بهینه شد. توده های کروموفور به صورت کامپیوتری مورد بررسی قرار گرفتند تا توالی هایی که ویژگی های انتقال سریع اگزسیتون ها را نشان می دهند، مشخص شود. سپس مدار با طراحی بهینه ساخته شد و روش  های پیچیده طیف سنجی فلورسانس برای تعیین دقیق نتایج استفاده شد. تحقیقات بیشتری به منظور روشن سازی دقیق سازماندهی مولکولی کروموفورها در یک توده جی انجام شد.
پژوهشگران تخمین زدند که یک توده از شش مولکول رنگ تشکیل شده که به قسمت هشت جفت بازی مولکول دی ان ای سوار می شود که نسبت به تخمین های قبلی شامل 8 تا 12 مولکول برای هر پیچ زنجیره دی ان ای تعادل بهتری خواهد داشت. فاصله جداسازی دو جفت بازی برای فراهم سازی بهترین جفت اگزسیتون ها بین توده های کروموفور تخمین زده شد. مدار به دست آمده، ویژگی های انتقال انرژی سازگار با پیش بینی ها را نشان داد.
قدرت و قابلیت های این روش سرهم بندی مولکول ها، در ساختارهایی با ابعاد نانو، در موفقیت آن ها نشان داده می شود. به صورتی ویژه، طراحی مدارات اگزسیتون ها مانند موردی که در بالا به آن اشاره شد، می تواند به کاربردهای جدیدی فرای استحصال انرژی نور منجر شود؛ از جمله نوآوری هایی در فناوری های ارتباطات و
پیشرفت هایی در زمینه های مختلف از جمله محیط زیست، حمل ونقل، تندرستی، ساخت وساز و انرژی.

رشته های تولیدگر انرژی
یک تیم بین المللی از محققان در دانشگاه تگزاس در دالاس و هان یانگ در کره جنوبی رشته هایی با فناوری بالا ابداع کرده است که در زمان کشیده یا پیچیده شدن انرژی تولید می کند. در مقاله ای که در مجله بسیار معتبر «علم» به چاپ رسیده، دانشمندان رشته های تویسترون و کاربردهای احتمالی آن ها را معرفی کرده اند، به عنوان مثال جمع آوری انرژی از حرکت امواج اقیانوس یا استحصال نیروی نوسانات درجه حرارت هوا. اگر از این رشته ها لباسی بافته شود می تواند یک سیستم مانیتور تنفس که از دیدگاه انرژی مستقل به حساب می آید باشد. دکتر کارتر هاینس، دانشیار موسسه پژوهش های نانو دانشگاه تگزاس، می گوید: «آسان ترین راه برای تصور این رشته های تولیدکننده انرژی این است که شما رشته ای در دست دارید اکنون اندکی آن را بکشید و به این ترتیب شما انرژی تولید کرده اید.»
رشته ها در ریزلوله های نانوکربنی ساخته شده اند که در واقع سیلندرهای کربنی توخالی با اندازه هزار برابر کوچک تر از تار موی آدمی هستند. محققان اولین بار این ریزلوله ها را به صورت درهم بافته شکل دادند تا رشته های سبک وزن قدرتمند بسازند. برای افزایش خاصیت ارتجاعی، آن ها پیچ های بسیار متعددی را به کل ساختار افزودند که سبب شد گلوله ای شکل به نظر آید. برای تولید الکتریسیته، رشته باید در ترکیبی که رسانای آیونی یا الکترولیت غوطه ور شوند یا پوشش داده شوند، مثلا محلول آب و نمک.
دکتر نالی از محققان این مطالعه و از نویسندگان مقاله یاد شده می گوید: «به صورت پایه ای این رشته ها ابرخازن هستند. در یک خازن معمولی شما از انرژی مثل باتری استفاده می کنید، برای این که به خازن بار اضافه کنید. در مورد این ابداع، زمانی که ریزرشته های نانوکربن را در محلول الکترولیت قرار می دهید، رشته ها به وسیله الکترولیت خودبه خود شارژ می شوند. نیازی به باتری خارجی یا منبع اختلاف پتانسیل وجود ندارد. زمانی که رشته های تولیدکننده انرژی پیچانده یا کشیده می شوند، حجم ریزرشته های نانوکربنی کاهش می یابد و بارهای الکتریکی را به یکدیگر نزدیک تر می کند و سبب افزایش انرژی می شود. این به بالا رفتن اختلاف پتانسیل مرتبط با بارهای ذخیره شده در رشته می انجامد و باعث می شود استحصال انرژی ممکن باشد.»
دکتر ری بومان، مدیر موسسه پژوهش های نانو، شرح می دهد: «با کشیدن رشته های کویل با سرعت 30 بار در ثانیه 250 وات در هر کیلوگرم اختلاف پتانسیل تولید می شود. اگرچه تعداد زیادی استحصالگر دیگر در طول دهه های متمادی مورد پژوهش واقع شده اند، در هیچ کدام از آن ها چنین حجم بالایی از نیروی الکتریکی یا خروجی قدرت به ازای هر چرخه تولید نشده است. این می تواند راهی برای دستیابی به انرژی های پاک آینده باشد.
در آزمایشگاه نشان داده شد رشته های تویسترون که کمتر از یک مگس وزن دارند، می توانند یک لامپ ال ای دی کوچک را روشن کنند، تنها کاری که لازم است انجام گیرد این است که آن ها را بکشید یا بپیچانید. برای نشان دادن این ویژگی تویسترون که می تواند انرژی گرمایی از دست رفته از محیط را جذب کند، یک رشته تویسترون به پلیمر که در اثر گرما و سرما منبسط و منقبض می شود، مرتبط شد. انرژی مکانیکی که به وسیله پلیمر تولید می شد به وسیله رشته ها به انرژی الکتریکی بدل شد. دکتر لی توضیح می دهد: «علاقه زیادی وجود دارد که بتوان از انرژی هدر رفته برای نیرو بخشیدن به اینترنت اشیا استفاده کرد. استفاده از تکنولوژی تویسترون می تواند برای چنین کاربردهایی مورد استفاده قرار گیرد، جایی که تعویض دائمی باتری ها دشوار به نظر می رسد.» محققان رشته های تویسترون را به صورت یک لباس بافتند. تنفس طبیعی آن قدر انرژی دارد که می تواند رشته های تار و پود این لباس را به اندازه کافی بکشد و در نتیجه سیگنال های الکتریکی تولید کند، بنابراین چنین فناوری می تواند به عنوان یک سنسور پایش تنفس هم به کار رود. پارچه های الکترونیک به عنوان یکی از زمینه های مورد علاقه برای تولید تجاری مطرح شده، اما پرسش این جاست که چگونه قرار است به آن ها انرژی رساند؟
استحصال نیروی الکتریکی از حرکت انسان یک استراتژی برای حذف نیاز به باتری هاست. آنچه در این پژوهش به دست آمده، امکان تولید انرژی به میزان بیش از صد برابر آنچه تاکنون موجود بوده به حساب می آید.
در آزمایشگاه نشان داده شد که رشته های تویستر با الکترولیت های ساده ای مانند محلول آب و نمک کار می کنند. بنابراین این امکان وجود دارد تا از آن ها در دریا و اقیانوس که الکترولیت های پیچیده تری به حساب می آیند هم استفاده کرد. برای اثبات این فرضیه، دکتر شیی کیم از محققان موسسه نانوتکنولوژی، با کشتی به دریای نزدیک موسسه در کره جنوبی حرکت کرد. او رشته هایی به طول 10 سانتی متر را که تنها یک میلی گرم وزن داشتند، بین دو بالون مخصوص تعبیه کرد و به کف دریا فرستاد. هر زمان که یک موج حرکت می کرد، بالون به سمت بالاتر جابه جا می شد و رشته ها 25 درصد کش می آمدند و انرژی تولید می شد. اگرچه محققان از میزان بسیار پایینی از رشته های تویسترون استفاده کرده بودند، نشان داده شد که عملکرد رشته ها را می توان ثبت کرد و بهبود بخشید. این کار با افزایش قطر رشته های تویسترون و تعداد گلوله های آن ها امکان پذیر است. اگر بتوان فرایند استحصال را ارزان تر انجام داد، آن گاه آن ها ممکن است در نهایت حجم بالایی نیرو را از امواج اقیانوس جمع آوری کرد. در حال حاضر این  پژوهش ها به تولید انرژی برای سنسورها و ارتباطات سنسورها محدود است. براساس میانگین خروجی نیرو، تنها 31 میلی گرم رشته های نانوکربنی می تواند برای انتقال دو کیلو بایت داده در شعاع 100 متری و در 10 ثانیه بهره برد. این یعنی آینده روشن برای اینترنت اشیا و انرژی های پاک.

منبع: مجله دانش بنیان

کلمات کلیدی