دکتر علی اسفندیارعضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف با همکاری گروه تحقیقاتی بین المللی به رهبری آندره گایم، برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2010، موفق به چاپ مقاله‌ای با عنوان «حذف کامل جریان یونی و ترابرد پروتونی در تک لایه دو بعدی آب» شده است.

دکتر علی اسفندیار عضو هیات علمی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف

دکتر علی اسفندیار، از دانشگاه صنعتی شریف با همکاری یک تیم تحقیقاتی به رهبری آندره گایم، محقق دانشگاه منچستر انگلستان و برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2010، در حال کار روی ساخت کانال‌های دو بعدی برای حذف صددرصدی یون‌ها هستند. 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 اسفندیاری درباری تاریخچه همکاری خود با این گروه می‌گوید: «از سال 2015 تا 2017 به عنوان محقق پسا دکترا در این گروه تحقیقاتی در دانشگاه منچستر و موسسه ملی‌ گرافن فعالیت داشتم. بعد از بازگشت به کشور و شروع فعالیت در دانشگاه شریف به عنوان استادیار، همکاری خود را با این گروه را 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 سوال بودیم که وقتی دو بلور دوبعدی روی هم قرار گرفته‌اند و شکافی یک آنگسترومی میان آنها توسط گرافن بوجود می‌آید، آیا یک کانال دوبعدی بوجود آمده است؟ آیا ترابرد مولکولی از میان این کانال خواهیم داشت یا خیر؟ 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؟ ذکر ان نکته هم لازم است که این شکاف، کوچکترین شکافی است که امکان ساخت آن در آزمایشگاه تا کنون وجود داشته است.»

اسفندیاری درباره ضرورت انجام این پروژه می‌گوید: « یون نقش مهمی در حوزه آب و انرژی ایفا می‌کنند، غشاء‌های رایج نسبت به یون‌ها، ابعاد بزرگی دارند و کنترل یون‌ها با این غشاء‌ها چالش بزرگی محسوب می‌شود. در حال حاضر از دافعه الکترواستاتیک میان یون و جداره غشاء برای جداسازی یون ها استفاده می‌شود. این روش کارایی صددرصدی نداشته و برخی یون‌ها از غشاء عبور می‌کنند. از این رو کار روی ساخت چنین کانال‌های آغاز شد.»

عضو هیئت 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 در این حوزه 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 سوال مورد استفاده قرار گیرند. 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 ساز و کار محصولات نقش مهمی دارند، این کانال‌های دو بعدی قابل استفاده خواهند بود.»

اسفندیاری درباره 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 که پروتون‌ با جهش‌هایی از میان زنجیره آب که در این کانال به دام افتاده، ترابرد می‌کند. نتایج این پروژه درک بیشتری در ساز و کار ترابرد ایجاد می‌کند. یکی از جنبه‌های جالب این پروژه آن است که ما توانستیم قطر کانال را به کمتر از یک نانومتر 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. در حقیقت حرکت به سوی فناوری آنگستروم و فناوری مقیاس اتمی مشخصه و دستاورد این پروژه است. این اولین کانال یونی مصنوعی است که قادر به حذف صدردصدی 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.»

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

تهیه خبر و تنظیم گفتگو: سهیل قدس و حمیدرضا قنبری