طراحی پمپ‌های نانومتری با الهام از کانال‌های زیستی

کانال‌های نانومتری، لوله‌هایی هستند که فعالیت سلولی اندام‌ها را ممکن می‌سازند.
این کانال‌های نانومقیاس، مواد مغذی را به سلول‌ها رسانده، مواد زاید را از
آنها خارج می‌کنند. آنها آب را نیز به داخل و خارج سلول پمپ می‌کنند.
اکنون محققان چینی با الهام از این کانال‌ها، در یک شبیه‌سازی دینامیک
مولکولی، طرحی برای یک پمپ مولکولی ساخته‌شده ‌از یک نانولوله کربنی،
پیشنهاد کرده‌اند.
 

پروتئین‌های ویژه‌ای به نام اکواپورین می‌توانند آب را در سرتاسر غشاء
سلولی با دبی بالا منتقل کنند، در صورتی که هر چیز دیگری حتی پروتون‌های
منفرد(هسته اتم‌های هیدروژن) را مسدود می‌کنند. کانال‌های اکواپورین به
قدری باریک‌اند که هیچ مولکول بزرگ‌تر از آب نمی‌تواند از آنها عبور کند.
همچنین برای جلوگیری از عبور مولکول‌های کوچک‌تر از آب، دارای یک فیلتر
شیمیایی هستند. دمای بدن، هاضمه، توالد و تناسل، فشار سیال در چشم، وکارکرد
کلیه‌ها، تنها بخشی از فرایندهای درون بدن انسان هستند، که به عملکرد مناسب
این کانال‌های نانومقیاس آبی سلولی وابسته هستند.
سازوکار این کانال‌های نانومقیاس توجه محققان فناوری‌نانو را برای ساخت پمپ‌های
آب نانومقیاس، جلب کرده‌است. هایپینگ فانگ، از مؤسسه شانگهای آکادمی علوم
چین(CAS) می‌گوید: «یافته‌های ما روی نانولوله‌های کربنی تک‌جداره‌ با شعاع‌های
خاص که در آن شعاع‌ها، مولکول‌های آب ساختار ستونی می‌گیرند، متمرکز شده‌است.
با مرتب کردن بارهای مجزا روی قسمت بیرونی یک نانولوله کربنی تک‌جداره، ما
می‌توانیم دو قطبی‌های مولکول‌های آب را بچرخانیم که این منجر به حرکت
آهسته آب در سرتاسر مرکز نانولوله می‌شود».
از آنجا که آب از نظر بار الکتریکی خنثی است، راندن آن با یک میدان
الکتریکی در یک محیط مملو از نوسانات گرمایی، کار آسانی نیست. ساختن یک
نانوپمپ که فعالانه آب را در سراسر نانوکانال‌ها منتقل می‌کند، به لحاظ
فناورانه مشکل است و حتی با استفاده از سازوکار‌های قابل مقایسه با آنهایی
که در دنیای ماکرو استفاده می‌شوند، شاید غیر ممکن است.
فانگ و همکارانش راهبرد جدیدی را برای یک نانوپمپ پیشنهاد می‌کنند: «این
پمپ می‌تواند مولکول‌های خنثای آب را برای حرکت کردن در یک جهت به‌وسیله
بارهای اضافی که دقیقاً روی سطح یک نانولوله قرار داده شده‌اند، هل بدهد.
این راهبرد از ساختار اکواپورین‌ها الهام گرفته‌است. چنین نانوپمپ آبی می‌تواند
کاربردهای مهمی از قبیل نمک‌زدایی آب دریا، جداسازی مواد شیمیایی، خالص‌سازی
آب، دارورسانی و حسگری درون محیط زنده داشته باشد. در این روش دو بار مثبت
eا۵/۰ و یک بار مثبت eا۱ (e بار یک الکترون است) به‌صورت غیر متقارن در
نزدیکی مرکز عمودی نانولوله کربنی تک‌جداره قرار داده می‌شوند».
شاید به نظر برسد که این نانوپمپ طراحی‌شده شبیه یک جریان دائمی و بی‌نیاز
از انرژی است؛ اما فانگ می‌گوید: «این نکته را باید در نظر داشت که برای
ثابت نگه داشتن بارها در مکان‌های اصلی‌شان، به نیروی اضافی نیاز است. ما
پی بردیم که نیروهای اعمال‌شده از سوی مولکول‌های آب بر این سه بار،
pNا۵۳۳، pNا۳۱۳ و pNا۳۰۰ هستند. بدون این اجبار(برای ثابت نگه داشتن بارها
در مکان خود)، این بارها از مکان خود منحرف شده و جریان آب قطع می‌شود».

این محققان به این نکته اشاره می‌کنند که از این توانایی در پمپ کردن می‌توان
مستقیماً برای نانوکانال‌های مجزا استفاده کرد، همچنین می‌تواند برای
نانوخلل و فرج نیمه‌هادی از قبیل نانولوله‌های کربنی تک‌جداره صندلی شکل با
طول محدود یا نانولوله‌های کربنی تک‌جداره زیگزاگی، توسعه داده شود.
نتایج این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده‌است.