پاکسازی آلودگی محیط زیست با نانوشناگر‌هایی کوچک‌تر از سر سنجاق

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه کلرادو نشان دادند که ذرات کوچک و خودران موسوم به «نانوشناگر» می‌توانند ۲۰ برابر سریع‌تر از سایر ذرات منفعل از پیچ و خم‌ها فرار کنند و این امر زمینه استفاده از آن‌ها را در حوزه‌های مختلف از پاکسازی‌های صنعتی گرفته تا تحویل دارو فراهم می‌کند.

در حالی‌که این ذرات به‌طور باورنکردنی کوچک هستند، حدود ۲۵۰ نانومتر قطر داشته، اما هنوز هم بسیار کوچکتر از سر سنجاق (۱-۲ میلی‌متر) هستند. با این که ابعاد این ذرات بسیار کوچک است، اما تولید مقیاس‌پذیر آن‌ها امکان‌پذیر است. این بدان معنی است که این ذرات می‌توانند برای حمل بار و رساندن دارو‌ها استفاده شده و همچنین از طریق خاک زیر زمین یا سواحل ماسه‌ای برای حذف آلاینده‌های ناخواسته در محیط حرکت کرده و در آن‌ها نفوذ کنند.

در مقاله‌ای که این گروه تحقیقاتی نوشته‌اند نشان داده شده است که چگونه این نانوربات‌های کوچک مصنوعی در فرار از حفره‌ها در محیط‌هایی پر پیچ و خم مهارت بسیار باور نکردنی دارند. این نانوشناگر‌ها می‌توانند روزی برای از بین بردن خاک آلوده، بهبود فیلتراسیون آب و یا حتی رساندن دارو‌ها به مناطق هدف در بدن مانند بافت‌های متراکم مورد استفاده قرار گیرند.

دانیل شوارتز، نویسنده ارشد این مقاله و استاد مهندسی شیمی و به همراه گلن ال مورفی معتقدند که این کشف یک پدیده کاملاً جدید است که به طیف گسترده‌ای از کاربرد‌ها منجر خواهد شد.

به گفته شوارتز، این نانوشناگر‌ها حدود ۲۰ سال پیش مورد توجه جامعه فیزیک نظری قرار گرفتند و محققان کاربرد‌های بسیاری را برای آن‌ها را تصور می‌کردند. اما متأسفانه این کاربرد‌های ملموس هنوز تحقق نیافته است، یکی از دلایل عدم تحقق این کاربردها، مشاهده و مدل‌سازی دشوار حرکت آن‌ها در محیط است.

این نانوشناگر‌ها که ذرات جانوس نیز نامیده می‌شوند (به نام خدای دو سر رومی)، ذرات کروی کوچکی هستند که از پلیمر یا سیلیس تشکیل شده‌اند و در هر طرف از این کره‌ها با خواص شیمیایی مختلفی وجود دارد. یک نیمکره باعث ایجاد واکنش‌های شیمیایی می‌شود، اما نیمکره دیگر چنین واکنشی را ایجاد نمی‌کند. این تفاوت عملکرد یک میدان شیمیایی ایجاد می‌کند که به ذره اجازه می‌دهد انرژی را از محیط گرفته و آن را به حرکت جهت‌دار تبدیل کند که به خود رانشی نیز معروف است.

شوارتز گفت: «در زیست‌شناسی و موجودات زنده، پیشرانه سلولی ساز و کار غالب است که باعث حرکت می‌شود. با این حال، در کاربرد‌های مهندسی شده، به ندرت از آن استفاده می‌شود. کار ما نشان می‌دهد که کار‌های زیادی می‌توان با نیروی محرکه خودران انجام داد.»

برخلاف این نانوشناگرها، ذرات منفعل بطور تصادفی حرکت می‌کنند، نوعی حرکت که معروف به حرکت براونی است. نام آن‌ها از روبرت براون دانشمند قرن نوزدهم گرفته شده‌است که مواردی مانند حرکت تصادفی دانه‌های گرده معلق در آب را مطالعه کرده است.

محققان در این تحقیق، این ذرات منفعل براونی را به ذرات جانوس (نانوشناگر) تبدیل کردند. سپس آن‌ها این نانوشناگران خودران را وادار کردند که در پیچ و خم موجود در یک محیط متخلخل حرکت کنند و مقایسه کردند که چگونه راه‌های فرار را در مقایسه با ذرات منفعل براونی پیدا می‌کنند.

ذرات ژانوس در فرار از حفره‌های درون پیچ و خم ۲۰ برابر سریع‌تر از ذرات براونی موثر عمل کردند، زیرا به‌طور راهبردی در امتداد دیواره‌های حفره‌ها حرکت می‌کردند و به دنبال مسیر‌هایی می‌گشتند که به آن‌ها اجازه می‌داد خیلی سریع خروجی‌ها را پیدا کنند. همچنین به نظر می‌رسد که نیروی محرکه آن‌ها باعث افزایش انرژی مورد نیاز برای عبور از مسیر‌های خروجی درون پیچ و خم می‌شود.