اقتصاد دانش بنیان

دانشمندان در دانشگاه منچستر سخت ترين گره فيزيکي را که تاکنون ممکن بوده ابداع کرده اند. پيشرفتي علمي که مي توان از آن نسل هايي جديد از مواد پيشرفته توليد نمود. دکتر ديويد لي، استاد شيمي دانشگاه منچستر و همکارانش راهي نوين يافته اند که به کمک آن مي توان رشته هاي مولکولي را به صورتي جديد به  هم بافت و به اين ترتيب گره هايي سخت تر و پيچيده تر در مقايسه با آنچه تاکنون ممکن بوده، پديد آورد. اين گره مولکولي در يک حلقه بسته 192 اتمي 8 تقاطع دارد و در حدود 20 نانومتر طول آن است، يا به عبارت ديگر 20 ميليونيم يک ميلي متر است. امکان ايجاد تيپ هاي متفاوت گره هاي مولکولي، به اين معناست که دانشمندان مي توانند بفهمند ايجاد اين ساختار هاي گره مانند چگونه بر قدرت و انعطاف پذيري مواد تاثير مي گذارند و به اين ترتيب مي توان رشته هاي پليمر را به صورت هاي جديدي به هم بافت تا مواد جديدي شکل بگيرند. دکتر لي مي گويد فرايند گره زدن مولکولي، مشابه تکنيک بافتن رشته هاي مولکولي است. بنابراين اگر بتوان به روش هايي جديد در ابعاد اتمي گره ايجاد کرد، مي توان ساختارها و رشته هاي مولکولي را به هم بافت. به عنوان مثال جليقه ضدگلوله و حفاظ هاي بدن از کولار (Kevlar) درست مي شوند که نوعي پلاستيک است که از رشته هاي صاف مولکولي در ساختاري موازي تشکيل شده اند. رشته هاي پليمر که بين آن ها بافته مي شود، اين پتانسيل را دارد که موادي سخت تر، سبک تر و انعطاف پذيرتر بسازد، همان گونه که در زندگي روزمره نخ ها را براي توليد لباس به  هم مي بافند. برخي پليمرها مانند ابريشم به دست آمده از تار عنکبوت مي توانند دو برابر فولاد استحکام داشته باشند. بنابراين بافتن رشته هاي پليمر مي تواند به توليد نسل هاي جديدي از مواد فوق محکم و سبک بينجامد که در زمينه هاي مختلف کاربرد خواهند داشت.

دکتر لي مي گويد: «ما از اين دستاورد علمي بسيار هيجان زده شديم.» او درباره فرايند پشت اين نوآوري شرح مي دهد: «ما در اين مطالعه گره هاي مولکولي را با کمک تکنيکي به نام خود سرهم بندي متصل کرديم. در اين پروسه رشته هاي مولکولي در اطراف يون هاي فلزي بافته مي شوند و نقاط تقاطع در مکان هايي صحيح ايجاد مي کنند، درست مثل بافتن يک لباس با کمک رشته هاي کاموا. انتهاي رشته ها به کمک کاتاليست هاي شيميايي با يکديگر ادغام مي شوند تا چرخه گره کامل شود.» گره مولکولي با 8 تقاطع پيچيده ترين ساختار متداول مولکولي است که به  وسيله دانشمندان ابداع شده است. نتايج اين پژوهش در مجله Science به چاپ رسيده است.

مواد دو و سه بعدي با قابليت خود سرهم بندي

خود سرهم بندي ماده يکي از پايه هاي اساسي طبيعت است که سبب سمت و سو دادن به رشد سيستم هاي کارا و بزرگ تر از واحد هاي سازنده کوچک تر مي شود. خود سرهم بندي در تمام ابعاد و اندازه ها قابل مشاهده است؛ از مولکول ها تا کهکشان ها. پژوهشگران در مرکز پژوهش هاي نانو در دانشگاه يوسکيلا و مرکز هايبر (HYBER) در دانشگاه آلستو در کشور فنلاند از اکتشاف خود سرهم بندي در مواد دو و سه بعدي خبر مي دهند که از خوشه هاي نانو طلا با ابعاد چند نانومتر تشکيل يافته است که هر کدام 102 اتم طلا و يک لايه سطحي 44 مولکولي تيول (thiol) دارند. معماي ساختار اتمي 102 اتمي خوشه طلا اولين بار به  وسيله تيم راجر کورنبرگ در سال 2007 در دانشگاه استنفورد حل شد. از آن زمان تاکنون، مطالعات بيشتري درباره ويژگي هاي اين ساختار در مرکز علم نانو يوسکيلا انجام شده و همچنين از اين ساختار در فناوري ميکروسکوپ الکتروني براي تصويربرداري از ساختارهاي ويروسي هم استفاده شده است. سطح تيولي خوشه نانو تعداد زيادي گروه اسيدي دارد که مي توانند پيوندهاي هيدروژني با خوشه هاي همسايه تشکيل بدهند و خود سرهم بندي داشته باشند. خود سرهم بندي خوشه هاي طلا در مخلوط آب - متانول صورت مي گيرد و دو ابرساختار کاملا متفاوت مي سازد که به کمک ميکروسکوپ الکتروني در دانشگاه آلنو تصويربرداري شده است. در يکي از ساختارها، لايه  هاي دوبعدي، که به صورت شش گوشه آرايش يافته  بودند، در کنار هم تجمع يافتند و هر لايه تنها يک نانوخوشه قطر داشت. با تغيير دادن شرايط، ساختارهاي توخالي کروي شکل هم مشاهده شدند که قطر اين کپسول ها به اندازه يک نانوخوشه بود. در حالي که جزئيات مکانيسم هاي شکل گيري اين ابرساختارها نيازمند مطالعات سيستماتيک بيشتر است، مشاهدات ابتدايي راه هايي را براي توليد مواد نانو با خاصيت خود سر هم بندي مي گشايد. دکتر هانو هکينن استاد علوم مواد و هماهنگ کننده پژوهش در مرکز علوم نانو مي گويد: «امروزه ما برخي از ده ها ساختار نانو خوشه اي اتمي طلا را مي شناسيم و اطمينان داريم که اين ساختارها مي توانند الگوهاي متفاوت رشد گسترده اي را بر پايه ويژگي خود سر هم بندي نشان بدهند که مي تواند بازه اي از متا - مواد جديد را توليد کنند.» در علم زيست شناسي مثال هاي متداول سيستم هاي فعال با خاصيت خود سر هم بندي ويروس ها و وزيکول ها هستند. ساختارهاي زيستي که خود سر هم بندي شده اند، مي توانند با تغييرات ساده در شرايط احاطه کننده بيوشيميايي دوباره به هم بريزند. اين که آيا مواد نانو بر پايه طلا هم اين ويژگي را نشان مي دهند يا نه، اهميت زيادي دارد که ما سعي مي کنيم به پاسخ آن دست بيابيم. ورقه هاي نانوي دوبعدي فرصت هايي براي توليد مواد جديد کارآمد ايجاد مي کنند و کپسول هاي توخالي هم براي توليد چارچوب هاي درهم رونده بسيار سبک راهگشا خواهند بود. دکتر اولي ايکالا استاد دانشگاه آلتو شرح مي دهد که در چارچوبي گسترده تر، تسلط يافتن بر ويژگي خود سر هم بندي در ابعاد و اندازه هاي مختلف از کوچک تا بزرگ براي بهره برداري از خواص مواد به  صورتي منطقي چالش بزرگي است که همچنان پابرجا باقي مانده است. نتايج و يافته هاي اين پژوهش نشان مي دهند که بايد الگويي ويژه براي دستيابي به خاصيت خود سر هم بندي در سطح نانو به کار گرفته شود.

چاپ سه بعدي آينده فناوري غشا را دستخوش تغييرات عمده مي کند

غشاها، موانعي نيمه تراوا با امکان انتخاب گروه هايي ويژه از مولکول ها در مجموعه اي از ترکيبات، در داخل جريانات مايع يا گازي شکل هستند. يک مثال کليدي امکان جداسازي نمک از آب در طي فرايند اسمز معکوس براي تصفيه آب است. فناوري چاپ سه بعدي (يا توليد افزودني) اين قابليت را داراست که هر شکل پيچيده  هندسي با ويژگي هاي مورد نظر را از ميان بازه اي از مواد و در ابعاد مختلف بسازد و در زمينه هاي مختلف از جمله پزشکي، هنر، ساخت و ساز و مهندسي کاربرد دارد. اگرچه امکان کاربرد اين تکنولوژي در توليد غشاهاي جداکننده نسبتا جديد است. در حال حاضر غشاها به فيبر کروي و توخالي با پيکربندي سطحي صاف محدود مي شوند که دليل آن محدوديت هاي فرايندهاي موجود در ساخت آن هاست. در نتيجه، عملکرد موفق غشاها داراي محدوديت هايي است. کاربرد تکنيک هاي چاپ سه بعدي امکان توليد غشاها را به  صورت جديد با شکل ها، تيپ ها و طراحي هاي جديد فراهم مي آورد، به صورتي که طراحي و ساخت آن ها به دقت بسيار بيشتر از روش هاي موجود ممکن مي گردد. به نظر مي رسد که با کمک فناوري چاپ سه بعدي بتوان غشاهايي بسيار دقيق تر ابداع کرد که در صنايع مختلف از جمله تصفيه آب کاربردهاي بسيار خواهند داشت. غشاهاي نوين با خلل و فرج کاملا مهندسي شده و شکل سطحي دلخواه مي تواند بر خاصيت انتخابي آن موثر باشد و سرعت جريان عبورکننده از غشا را تحت تاثير قرار دهد به اين ترتيب انرژي و زمان لازم براي استفاده از آن ها به صورت معناداري کاهش مي يابد. دکتر دارل پترسون، مدير مرکز مهندسي تفکيک در دانشگاه بت، مي گويد: «اگرچه فناوري چاپ سه بعدي هنوز به صورت کامل توسعه نيافته تا غشاها را در سطح زياد توليد کند و در مقايسه با روش هاي متداول امروزي مقرون به  صرفه باشند، اما پتانسيل هاي چاپ سه بعدي براي توليد غشاها بسيار فراتر از آنچه امروزه در دسترس داريم، هستند. امکاناتي مانند ساختارهاي خلل و فرج با ابعاد و شکل هاي پيچيده، الگوهاي سطحي تلفيقي و غشاهاي بر پايه طبيعت، همگي به لطف اين تکنولوژي در آينده نه چندان دور در دسترس خواهند بود.» در حدود پانزده درصد انرژي کل مصرف دنيا صرف تصفيه و پالايش محصولات صنعتي مانند گازها، مواد شيميايي و آب مي شود. اين فرايند ها همچنين بين چهل تا هفتاد درصد هزينه هاي صنعتي را شامل مي شوند. فناوري غشاها مي تواند سبب صرفه جويي در زمان، هزينه  خالص سازي و جداسازي و تفکيک پايدار مولکول ها در بازه اي از مواد گازي و مايع شود. بنابراين يک فناوري کليدي است که از هر نظر (هزينه، زمان، توليد گازکربنيک و...) به نفع صنعت نقش بازي خواهد کرد.

منبع: مجله دانش بنیان