مورفوژنز روشی است که طبیعت برای ساختن ساختارها و عملکردهای متنوع از مجموعه‌ای ثابت از اجزا تشکیل می‌دهد. در حالی که طبیعت سرشار از نمونه‌های مورفوژنز است، برای مثال، تمایز سلولی، رشد جنینی و تشکیل اسکلت سلولی، تحقیقات در مورد این پدیده در مواد مصنوعی کم است. محققان دانشگاه ایلینویز با استفاده از توموگرافی الکترونی، نظریه‌های دینامیک سیالات و یادگیری ماشینی به بررسی مورفوژنز در پلیمرهای نرم پرداختند.
طراحی غشاء تصفیه آب با الهام از طبیعت
این مطالعه جدید به رهبری کیان چن، استاد علم و مهندسی مواد؛ جی فنگ، استاد علوم و مهندسی مکانیک؛ و شیائو سو، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی انجام شده است. کیان چن اولین کسی است که مورفوژنز در مقیاس نانو را در یک ماده مصنوعی نشان داد. نتایج این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
هیوسانگ آن، محقق سابق پسا دکتری ایلینوی، نویسنده ارشد این مطالعه، می گوید: «شما ممکن است فیلترها را در سیستم‌های تصفیه آب خانه خود به عنوان غشاهای ساده حفره‌دار ببینید، اما زمانی که با استفاده از توموگرافی الکترونی زوم می‌کنیم، این ساختارها بسیار پیچیده‌تر می‌شوند. با گرفتن تصاویری از غشاهای نمونه از مرحله قابل چرخش، می‌توانیم مورفولوژی سه‌بعدی کامل آنها را با وضوح زیر نانومتری بازسازی کنیم.»
تصویربرداری از زوایای مختلف به محققان این امکان را می‌دهد تا محققان ساختار سه‌بعدی غشاها را با تمام چروک‌ها، حفره‌های درونی و شبکه‌های آن با وضوح فضایی که قبلاً امکان‌پذیر نبود، ببینند.
برای کمک به اعضای تیم برای درک ماهیت پیچیده غشاها، دانشجویان فارغ‌التحصیل جان دبلیو اسمیت و لیهان یائو فناوری مبتنی بر یادگیری ماشین را برای دیجیتالی کردن پارامترهای ساختار این غشا ایجاد کردند.
فنگ، که دینامیک سیالات و مدل‌سازی واکنش این مطالعه را مطالعه می‌کرد، گفت: «ما می‌توانیم شباهت‌های مورفولوژیکی بین غشاهای مصنوعی و سیستم‌های زیستی ببینیم. ما چندین مدل را آزمایش کردیم و تطابق کمی شگفت‌انگیز با نظریه‌های مرسوم یافتیم که ساختارهای موجود در سیستم‌های زیستی ماکروسکوپی، مانند الگوهای روی پوست ماهی را توضیح می‌دهند. تا به حال ابزار لازم برای دیدن آنها را نداشتیم.»
سو که مطالعات جداسازی غشا را رهبری می کرد، گفت: «تأثیر فراتر از درک مکانیکی است. یکی از معماهای قدیمی علم جداسازی، چگونگی ارتباط مورفولوژی و عملکرد غشا بوده است. مطالعه ما درک دقیق مورفولوژی در مقیاس نانو را با آزمایش فیلتراسیون غشا ترکیب می‌کند و پیامدهای مهمی برای زمینه‌های جداسازی مختلف ارائه می‌دهد.»
محققان طیف وسیعی از کاربردهای این یافته را در نظر دارند که ممکن است عملکرد نانومواد نرم مانند پلیمرها، وزیکول‌ها، میکروژل‌ها و کامپوزیت‌ها را از طریق مورفوژنز گسترش دهد.
چن گفت: «با ریخته‌گری نانومورفولوژی سه‌بعدی در طی واکنش‌های شیمیایی شکل‌دهنده، این پیشرفت برای طراحی مواد از مورفولوژی‌های پیچیده سه‌بعدی مفید خواهد بود. فن‌آوری‌های پشت دستگاه‌هایی مانند نانوماشین‌ها و سایر مواد الهام‌گرفته شده زیستی با مورفولوژی دقیق سه‌بعدی سطحی که شکل‌های آنها می‌تواند بر تعاملات زیستی تأثیر بگذارد، ممکن است با یافته‌های ما پیشرفت کنند.»
