همکاری یک ایرانی با برنده جایزه نوبل | ساخت کوچکترین کانال مصنوعی جهان

دکتر علی اسفندیار، از 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 دوبعدی برای حذف صددرصدی 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 رسیده است.

دکتر علی اسفندیار درباره‌ تاریخچه همکاری خود با این گروه می‌گوید: « از سال 2015 تا 2017 به عنوان محقق پسا دکتر در این گروه تحقیقاتی در دانشگاه منچستر و مؤسسه ملی‌ گرافن فعالیت داشتم. بعد از بازگشت به کشور و شروع فعالیت در دانشگاه صنعتی شریف به عنوان استادیار، همکاری خود را با این گروه ادامه دادم و تحقیقات روی توسعه پروژه‌های پیشین این گروه طی دو سال گذشته ادامه دارد.»

وی درباره این پروژه می‌گوید: « این تحقیق در قالب یک کار تحقیقاتی دانشگاهی بوده است. در این پروژه ما به‌دنبال این سؤال بودیم که وقتی دو بلور دوبعدی روی هم قرار گرفته‌اند و شکافی آنگسترومی میان آنها توسط گرافن به‌وجود می‌آید، آیا یک کانال دوبعدی به‌وجود 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 شکاف، کوچکترین شکافی است که امکان ساخت آن در آزمایشگاه  تاکنون وجود داشته است.»

اسفندیار درباره ماهیت و دستاورد این پروژه می‌گوید: « در این تحقیق کانال‌هایی با قطر کمتر از 4 آنگستروم برای جداسازی یون‌ها ساخته شده است. با استفاده از این کانال، ترابرد و حذف صددرصدی یون‌ها امکان‌پذیر است. ما نشان دادیم پروتون‌ با جهش‌هایی از میان زنجیره آب که در این کانال به دام افتاده، ترابرد می‌کند. نتایج این پروژه درک بیشتری در سازوکار ترابرد ایجاد می‌کند. یکی از جنبه‌های جالب این پروژه آن است که ما 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. این اولین کانال یونی مصنوعی است که قادر به حذف صددرصدی یون‌ها است. امکان استفاده از دستاوردهای این پروژه در ایران وجود دارد، 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.»

دکتر اسفندیار درباره ضرورت انجام این پروژه می‌گوید: « 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 غشا برای جداسازی استفاده می‌شود. این روش کارایی صددرصدی نداشته و برخی یون‌ها از غشا عبور می‌کنند. از این رو کار روی ساخت چنین کانال‌هایی آغاز شد.»

عضو هیأت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه شریف می‌افزاید: « این پروژه در دو حوزه کاربرد دارد، اول در حوزه زیستی، جایی که ما با سلول‌های عصبی روبرو هستیم از نتایج این پروژه می‌توان استفاده کرد. 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 سؤال مورداستفاده قرار گیرد. کاربرد دوم این پروژه در فرآیندهای نمک‌زدایی و شیرین‌سازی آب است. چنین کانال‌هایی که امکان کنترل ترابرد یونی را دارند، می‌توانند برای توسعه حوزه تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرند. علاوه‌براین، در حوزه‌هایی نظیر باتری و ابرخازن‌ها که عبور یون‌ها در سازوکار محصولات نقش مهمی دارند، این کانال‌های دو بعدی قابل‌استفاده خواهند بود.»

وی درباره تجاری‌سازی این فناوری معتقد است: « این کانال‌ها در مقیاس آزمایشگاهی قابلیت تولید انبوه دارند اما برای استفاده در صنعت نیاز به پیداکردن مواد جایگزین است که از نقطه‌نظر اقتصادی مقرون به صرفه 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، صنعتی‌کردن آن است. همچنین می‌توان این فناوری را به گونه‌ای بهبود داد که تمام یون‌ها فیلتر شده و تنها آب از کانال عبور کند.»