دانشمندان آمریکایی غشایی ساختهاند که با اعمال برق میتوان سرعت عبور یونها را کموزیاد کرد. این فناوری میتواند تصفیه آب، دارورسانی و استخراج مواد ارزشمند را کارآمدتر کند. ویژگی تازه این غشا، امکان تنظیم لحظهای و حتی تقویت خودکار جریان یونها است.
ترانزیستور وارد دنیای شیمی شد؛ جداسازی یونها با یک مکسین (MXene)
پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور با طراحی غشایی نوآورانه از جنس مکسین، موفق شدند برای نخستینبار جریان یونها را در لحظه و با اعمال ولتاژ الکتریکی کنترل کنند؛ دستاوردی که میتواند صنعت تصفیه آب، دارورسانی و استخراج عناصر کمیاب را وارد عصر تازهای از دقت و کارآمدی کند.
این گروه در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory) اعلام کردند که با بهرهگیری از ساختاری نوین مبتنی بر مواد دوبعدی موسوم به مکسین (MXene)، توانستهاند غشایی بسازند که همانند یک ترانزیستور عمل میکند و امکان تنظیم لحظهای جداسازی یونها را فراهم میآورد؛ قابلیتی که تا پیش از این در حوزه فناوری غشاها غیرممکن تلقی میشد.
این پژوهش که نتایج آن در نشریه معتبر ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شده، افق تازهای پیش روی فرایندهای جداسازی دقیق گشوده است؛ فرایندهایی که در حوزههایی چون تصفیه آب، انتقال هدفمند دارو در بدن و بازیابی عناصر کمیاب خاکی نقشی بنیادین دارند. اهمیت این عناصر در زنجیره تأمین صنعتی و فناوریهای پیشرفته،بر کسی پوشیده نیست و هرگونه پیشرفت در بهبود استخراج و خالصسازی آنها، پیامدهای اقتصادی و راهبردی گستردهای بههمراه خواهد داشت.
غشاهای طراحیشده از انباشت لایههای بسیار نازک مکسین تشکیل شدهاند؛ ورقههایی دوبعدی که تنها چند اتم ضخامت دارند. در میان فاصلههای بسیار ریز و در مقیاس نانو که میان این لایهها ایجاد میشود، کانالهایی شکل میگیرد که یونها ناگزیرند برای عبور از غشا از آنها بگذرند. تا پیش از این، جامعه علمی بر این باور بود که ویژگیهای چنین غشاهایی ذاتی و غیرقابل تغییر است و سرعت و میزان انتقال یونها از همان آغاز ساخت، تثبیت میشود.
با این حال، پژوهشگران این مرکز تحقیقاتی نشان دادند که این فرضیه چندان هم قطعی نیست. آنها دریافتند که بهدلیل رسانابودن الکتریکی مکسین، میتوان با اعمال یک میدان الکتریکی، کارآمدی انتقال مولکولی از میان غشا را دگرگون کرد. به بیان دیگر، این غشا همانند یک ترانزیستور الکترونیکی عمل میکند؛ ابزاری که در مدارهای الکتریکی با اعمال ولتاژ به پایانه «گِیت»، جریان را تنظیم میکند.
الکساندر نوی، دانشمند این آزمایشگاه و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، در توضیح این دستاورد گفت الهام این طرح از توانایی ترانزیستورها در تنظیم جریان گرفته شده است. او برای سادهترشدن موضوع، مثالی ملموس ارائه کرد: همانگونه که میتوان با یک شیر یا حتی با فشردن شلنگ آب، میزان جریان آب را کموزیاد کرد، در اینجا نیز میدان الکتریکی نقش همان ابزار تنظیمکننده را ایفا میکند و عبور یونها را مهار یا تقویت میکند.
در این سامانه، بار الکتریکی سطح غشا تعیین میکند چه تعداد یون بتوانند در فاصله میان لایههای مکسین جای بگیرند و با چه سهولتی حرکت کنند. بدینترتیب، ویژگیهای انتقالی غشا نهتنها قابل تغییر است، بلکه میتوان آن را در طول فرایند جداسازی، بهصورت لحظهای روشن یا خاموش کرد و به شرایط دلخواه رساند.
نکته درخور توجه دیگر، کشف تأثیر ولتاژ نوسانی مثبت و منفی بر عملکرد غشا است. آدیتیا پِندسه، پژوهشگر پسادکتری پیشین این آزمایشگاه و از دیگر نویسندگان مقاله، اعلام کرد که با اعمال ولتاژ متناوب، انتقال یونها از میان غشا تقویت شده و سامانه عملاً به حالتی «خودپمپاژ» میرسد. این ویژگی باعث میشود یونها با کارآمدی بیشتری از کانالهای نانومتری عبور کنند و نیاز به اتکا صرف به انتشار غیرفعال کاهش یابد.
آرجون ینِمادی، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در مؤسسه فناوری ماساچوست (Massachusetts Institute of Technology)، نیز این رویکرد مبتنی بر ولتاژ نوسانی را کشفی مهم توصیف کرد؛ چراکه به غشا امکان میدهد بهجای تکیه بر فرایندهای طبیعی و کند انتشار، بهطور فعال در هدایت انتقال مولکولی نقشآفرینی کند.
پژوهشگران در گام بعدی قصد دارند کارایی این غشاهای ترانزیستوری را در انتقال و جداسازی یونهای عناصر کمیاب خاکی بیازمایند؛ موادی که برای تولید تجهیزات الکترونیکی پیشرفته، باتریها، موتورهای الکتریکی و بسیاری از فناوریهای نوین ضروری هستند. اگر این فناوری بتواند در مقیاس صنعتی نیز عملکرد خود را حفظ کند، میتواند تحولی بنیادین در صنایع مرتبط با انرژی، محیطزیست و فناوریهای پیشرفته ایجاد کند.
این دستاورد نشان میدهد که مرز میان الکترونیک و علم مواد روزبهروز کمرنگتر میشود و مفاهیمی که روزگاری صرفاً در مدارهای نیمهرسانا معنا داشت، اکنون راه خود را به حوزههای زیستی و شیمیایی نیز گشوده است؛ مسیری که میتواند آینده فرایندهای جداسازی را بهکلی دگرگون کند.
