۲۱ ژوئیه ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: نیتیکا والتر-دانشمندان یک سیستم قابل تنظیم ایجاد کرده‌اند که به طور انتخابی انتقال مواد شیمیایی را در مقیاس اتمی کنترل می‌کند و توانایی سلول‌ها را برای مراقبت از غشاهای بیولوژیکی خود تقلید می‌کند.جان زیچ/دانشگاه شیکاگو
چه می‌شد اگر فیلتر آب شما می‌توانست مانند یک سلول فکر کند، تصمیم بگیرد چه چیزی را وارد کند، چه چیزی را مسدود کند و چه زمانی این کار را انجام دهد؟
این دقیقاً همان نوع دقتی است که دانشمندان دانشگاه شیکاگو و دانشگاه نورث وسترن اکنون به دستیابی به آن نزدیک‌تر شده‌اند.این تیم با تقلید از نحوه کنترل جریان یون‌ها (ذرات باردار) توسط سلول‌های زنده از طریق تونل‌های میکروسکوپی در غشاهای خود، یک سیستم مصنوعی ساخته است که می‌تواند برای افزایش یا سرکوب عبور یون‌های خاص تنظیم شود، مانند یک غشای هوشمند با غرایزی که از زیست‌شناسی وام گرفته شده است.
یون‌ها ترفندهای جدیدی را یاد می‌گیرند
محققان دریافتند که افزودن مقادیر کمی از یون‌های فلزی، مانند سرب، کبالت یا باریم، می‌تواند میزان عبور پتاسیم از یک نانوکانال دوبعدی مصنوعی در مقیاس آنگستروم را به شدت تغییر دهد.
افزایش تنها ۱ درصدی یون‌های سرب، جریان پتاسیم را دو برابر کرد، نه با فشار بیشتر، بلکه با کند کردن یون‌های رقیب به اندازه‌ای که پتاسیم با کلرید جفت شود، یک ترکیب خنثی تشکیل دهد و راحت‌تر از آن عبور کند.
مینگژان وانگ، نویسنده اول مشترک این مطالعه، گفت: “هیجان‌انگیزترین بخش تحقیق ما این است که نشان می‌دهیم انتقال یون در کانال‌های دوبعدی در مقیاس آنگستروم چگونه می‌تواند در حضور یون‌های دیگر، حتی با کسر کوچکی، به طور چشمگیری تغییر کند.”
این توانایی تغییر بین افزایش و مهار جریان یون، صرفاً با تنظیم ترکیب یونی، مهندسان را یک گام به ساخت غشاهای واکنشی که بر اساس تقاضا عمل می‌کنند، نزدیک‌تر می‌کند.چنین کنترلی می‌تواند نحوه حذف سموم از آب، بازیابی مواد معدنی ارزشمندی مانند لیتیوم از آب نمک یا حتی مدیریت جریان در الکترونیک مبتنی بر سیال آینده‌نگر را متحول کند.
در قلب این پیشرفت، یک برهمکنش کوچک اما قدرتمند وجود دارد. یون‌ها بارهای الکتریکی – مثبت یا منفی – دارند و هنگام حرکت در یک کانال، این بارها هم با دیواره‌های تونل و هم با یکدیگر برهمکنش می‌کنند.
این تیم کشف کرد که وقتی یون‌های سرب به گروه‌های استات که دیواره‌های تونل را پوشانده‌اند متصل می‌شوند، به طور نامحسوس محیط الکترواستاتیک را تغییر می‌دهند. این تغییر، یون‌های کلرید با بار منفی را به اندازه‌ای کند می‌کند که بتوانند با پتاسیم همگام شوند و جفت‌های کلرید پتاسیم خنثی تشکیل دهند که راحت‌تر از غشا عبور می‌کنند.
پروفسور شیمی دانشگاه نورث وسترن، جورج شاتز، توضیح داد: «هیچ چیز بارداری وجود ندارد که بخواهد با آن برهمکنش کند، و این باعث می‌شود که مولکول جدید بتواند سریع‌تر از زمانی که دو یون به طور جداگانه از کانال عبور می‌کنند، جریان یابد.»
به همان اندازه جالب، این اثر را می‌توان معکوس کرد. افزودن کبالت یا باریم با رقابت با سرب برای مکان‌های پیوند، این جفت شدن را مختل می‌کند و تشکیل جفت‌های پتاسیم-کلرید را کاهش می‌دهد.
کینسی شیونگ، نویسنده همکار، گفت: “با تغییر ترکیب گونه‌های یونی، ما توانستیم از یک اثر مشارکتی به یک اثر مهاری تغییر دهیم. باز هم، درک فیزیک اساسی ضروری است.”
برای انجام این کار، تیم از یک شبیه‌سازی دینامیک مولکولی غیرتعادلی سفارشی استفاده کرد که برهمکنش‌های دوقطبی القا شده توسط یون را برای مدل‌سازی آنچه در مقیاس اتمی اتفاق می‌افتد، در بر می‌گرفت.
شیونگ گفت: “ما یک شبیه‌سازی دینامیک مولکولی غیرتعادلی طراحی کردیم تا یک برهمکنش دوقطبی القا شده توسط یون را در خود جای دهد و انتقال یون را از طریق این نانوکانال دوبعدی شبیه‌سازی کند. نتایج ما به خوبی با آزمایش‌ها همسو بود، که نشان می‌دهد فیزیک مورد استفاده ما در مسیر درستی قرار دارد.”
انتقال پتاسیم کند می‌شود – مانند تغییر وضعیت از «باز» به «بسته». این یک سیستم پویا و قابل کنترل است که گزینش‌پذیری قابل توجه سلول‌های زنده را منعکس می‌کند.
تأثیر این تحقیق می‌تواند فراتر از آزمایشگاه باشد. غشاها ممکن است روزی در زمان واقعی با آلودگی آب سازگار شوند و فقط یون‌های مضر را حذف کنند. دستگاه‌ها می‌توانند لیتیوم را از آب دریا با حداقل ضایعات استخراج کنند.در الکترونیک، جایی که یون‌ها به عنوان بلوک‌های سازنده محاسبات سیال در حال ظهور هستند، جریان یون قابل برنامه‌ریزی می‌تواند فناوری‌های کاملاً جدیدی را ایجاد کند.
این یافته‌ها اخیراً در Nature Communications منتشر شده است.
