بازنویسی قوانین فیزیک با شبکه‌های نانویی
جرعه ای ازجهان دانش
بهارسادات موسوی[ گزارش ازپژوهش های تازه ]
بازنویسی قوانین فیزیک با شبکه‌های نانویی
در یکی از پیشرفته‌ترین دستاوردهای حوزه نانو، پژوهشگران دانشگاه اشتوتگارت موفق شدند با استفاده از رشته‌های DNA، ساختارهایی پیچیده موسوم به ابرشبکه‌های موآره (Moiré Superlattices) را به‌صورت خودآرا در محلول ایجاد کنند؛ ساختارهایی که می‌توانند قواعد نور، صدا و حتی رفتار الکترون‌ها را در مقیاس نانو بازنویسی کنند.
به گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این پژوهش که در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده، توسط تیمی به سرپرستی پروفسور «لورا نا لیو» (Laura Na Liu) از مؤسسه دوم فیزیک دانشگاه اشتوتگارت انجام گرفته است.
در این روش نوین، زوایای چرخش، فواصل شبکه‌ای و تقارن ساختارها مستقیم در طراحی مولکولی رشته‌های DNA برنامه‌ریزی می‌شود. این طراحی به‌گونه‌ای انجام شده که ساختارها بدون نیاز به دخالت انسانی و تنها از طریق خودآرایی مولکولی، در محلول شکل می‌گیرند.
پروفسور لیو در توضیح این فناوری می‌گوید: «برخلاف روش‌های سنتی که نیازمند چیدمان دقیق و مکانیکی لایه‌های دوبعدی بودند، ما با استفاده از فرآیند پایین به بالا و کدگذاری مستقیم اطلاعات هندسی در رشته‌های DNA، توانستیم ساختارهایی با دقت نانومتری بسازیم.»
در این فرآیند، ساختار اولیه‌ای به نام «بذر هسته‌زایی» (Nucleation Seed) طراحی می‌شود که همانند یک دفترچه راهنما، ساختار نهایی را شکل می‌دهد. این بذر، رشته‌های دیگر DNA را جذب کرده و آن‌ها را در مکان‌ها و زوایای ازپیش‌تعیین‌شده قرار می‌دهد. تمامی این فرایند در یک مرحله و به‌صورت محلولی انجام می‌شود، بدون نیاز به تجهیزات پیچیده مکانیکی.
ابرشبکه‌های موآره در فیزیک ماده چگال، فتونیک و حتی فناوری‌های کوانتومی بسیار مورد توجه هستند. اما ساخت آن‌ها تاکنون نیازمند روش‌های بسیار دقیق و پرهزینه بوده است.
فناوری جدید تیم اشتوتگارت این مسیر را ساده کرده و امکان ساخت ساختارهایی در ابعاد ۲٫۲ نانومتر با الگوهای متنوعی مانند شبکه‌های مربعی، شش‌ضلعی (honeycomb) و «کاگومه» را فراهم آورده است.
به گفته پروفسور «پیتر فان آکن» (Peter A. van Aken) از مؤسسه ماکس پلانک برای تحقیقات ماده چگال، این ساختارها تحت میکروسکوپ الکترونی الگوهای موآره‌ای دقیق و هم‌خوان با طراحی DNA اولیه را نشان می‌دهند. در این مطالعه همچنین روشی نوین برای رشد لایه‌های چرخیده معرفی شده که از طریق «قلاب‌های مولکولی» تعریف‌شده در بذر DNA، لایه‌های SST را با هم هم‌تراز می‌کند.
کاربردهای این دستاورد گسترده و هیجان‌انگیز است. ساختارهای جدید می‌توانند به‌عنوان داربست‌هایی برای جای‌گذاری دقیق نانوذرات، مولکول‌های فلورسانس یا نیم‌رساناها در معماری‌های دوبعدی و سه‌بعدی عمل کنند. همچنین با تغییر شیمیایی، می‌توان آن‌ها را به بلورهای فونونی یا متامتریال‌های مکانیکی با پاسخ‌های ارتعاشی قابل تنظیم تبدیل کرد.
افزون بر این، طراحی شیب‌دار این ساختارها امکان ساخت دستگاه‌هایی با ضریب شکست متغیر (gradient-index) را فراهم می‌کند که قادرند مسیر نور یا صوت را به‌طور کنترل‌شده هدایت کنند. یکی دیگر از کاربردهای امیدبخش، در حوزه اسپینترونیک است؛ چرا که DNA توانایی فیلتر کردن اسپین الکترون‌ها را دارد و این ابرشبکه‌ها می‌توانند بستری برای مطالعه پدیده‌های نوین در انتقال اسپینی توپولوژیک فراهم آورند.
پروفسور لیو در پایان می‌گوید: «ما قصد نداریم مواد کوانتومی را تقلید کنیم؛ بلکه در حال گشودن فضای طراحی تازه‌ای هستیم که به ما اجازه می‌دهد ماده‌ای ساخت‌یافته را از پایین به بالا و با کنترل دقیق هندسی، مستقیم از درون مولکول‌ها بسازیم.
منظومه‌سازی سیارات فراخورشیدی!
تلسکوپ فضایی «جیمز وب» دریافت که سیارات فراخورشیدی غول‌پیکر و تنها می‌توانند بدون ستاره مادر، دوستان سیاره‌ای خود را بسازند. این یعنی شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای منحصر به ستارگان نیست، بلکه ممکن است در اطراف جهان‌های تنها و بی‌ستاره نیز رخ دهد.
باور رایج ما در مورد سیاراتی که به دور یک ستاره مرکزی می‌چرخند که به دلیل طرح دیده شده در منظومه شمسی بسیار آشناست، می‌تواند به طور غیر قابل بازگشتی توسط تحقیقات جدیدی که نشان می‌دهد سیارات غول‌پیکر و شناور می‌توانند منظومه‌های سیاره‌ای خاص خود را تشکیل دهند، در هم بشکند. اگر این موضوع درست باشد، این بدان معناست که منظومه‌های سیاره‌ای ممکن است بدون ستاره مادر نیز وجود داشته باشند.
به گزارش اسپیس، این منظومه‌های سیاره‌ای سرکش همچنین بسیار کوچکتر از منظومه شمسی خواهند بود و تنها کسری از جرم کل همسایه‌های کیهانی ما را دارند.
این یافته زمانی به دست آمد که گروهی از محققان از تلسکوپ فضایی «جیمز وب»(JWST) برای بررسی اجرام جوان و منزوی در فضا استفاده کردند که گمان می‌رود بین پنج تا ده برابر مشتری جرم داشته باشند. این اجرام برخلاف سیارات منظومه شمسی به هیچ ستاره‌ای وابسته نبودند و بنابراین در جهان به صورت آزادانه شناور بودند.
این اجرام می‌توانند به همان روشی که ستاره‌ها از ابرهای در حال فروپاشی گاز و غبار تشکیل می‌شوند، شکل گرفته باشند، از این رو ماهیت منزوی دارند. با این حال، برخلاف ستاره‌ها، اجرام سیاره‌ای شناور آزاد نتوانسته‌اند جرم کافی برای شروع همجوشی هسته‌ای در هسته‌های خود را جمع‌آوری کنند (فرآیندی که ستاره را تعریف می‌کند). این امر آن ها را شبیه به کوتوله‌های قهوه‌ای یا به اصطلاح «ستاره شکست‌خورده»، اما با جرم‌های کمتر می‌کند. کوتوله‌های قهوه‌ای جرم‌هایی دارند که از ۱۳ تا ۸۰ برابر جرم مشتری متغیر است.
از طرف دیگر، اعتقاد بر این است که برخی از سیارات شناور آزاد در اطراف ستارگان از قرص‌های کلاسیک و چرخان گاز و غبار به نام «دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای» تشکیل شده‌اند. سپس آن ها توسط برهمکنش‌های گرانشی با سیارات خواهر و برادر خود و حتی با ستاره‌های در حال عبور از منظومه‌های خود به بیرون پرتاب شده‌اند.
بلیندا دیمین(Belinda Damian)، نویسنده اصلی این تحقیق و دانشمند دانشگاه سنت اندروز(St. Andrews) در بیانیه‌ای گفت: این اکتشافات نشان می‌دهد که بلوک‌های سازنده برای تشکیل سیارات را می‌توان حتی در اطراف اجرامی که به سختی بزرگتر از مشتری هستند و به تنهایی در فضا شناورند نیز یافت. این بدان معناست که تشکیل منظومه‌های سیاره‌ای منحصر به ستارگان نیست، بلکه ممکن است در اطراف جهان‌های تنها و بی‌ستاره نیز رخ دهد.
سیارات شناور آزاد که گمان می‌رود کم‌جرم‌ترین اجرامی باشند که می‌توانند از ابرهای گاز و غبار منزوی تشکیل شوند، به دلیل این واقعیت که نور بسیار کمی از خود ساطع می‌کنند، به سختی قابل مشاهده و مطالعه هستند، اما تابش الکترومغناطیسی که سیارات شناور آزاد ساطع می‌کنند، عمدتاً در طیف نور فروسرخ است،یعنی همان طول موج نوری که «جیمز وب» به آن حساس است.
بدین ترتیب، محققان با این تلسکوپ فضایی قدرتمند توانستند هشت سیاره جوان و شناور آزاد را بررسی کنند. مشاهدات انجام شده بین اوت تا اکتبر ۲۰۲۴، ویژگی‌های دقیقی از این اجرام را نشان داد که نشان می‌دهد جرم آن ها در حدود جرم مشتری است. شش سیاره شناور آزاد، انتشار فروسرخ گسترده‌ای را نشان دادند که توسط گرد و غبار گرم بلافاصله در اطراف آن ها ایجاد شده است. این نشان دهنده دیسک‌های اطراف گاز و غبار بود، نوعی ساختار که در اطراف ستاره‌های نوزاد جمع می‌شوند تا سیارات را تولید کنند.
حتی هیجان‌انگیزتر از این، تشخیص دانه‌های سیلیکات در این دیسک‌ها بود. این نشانه اولیه‌ای از تجمع و تبلور گرد و غبار است و به نوبه خود، اولین مرحله در تشکیل سیارات سنگی مانند زمین است.
پیش از این، ردپای سیلیکات‌ها در اطراف ستاره‌ها و حتی کوتوله‌های قهوه‌ای دیده شده بود، اما این اولین بار است که این ردپاها در اطراف سیارات شناور آزاد که بسیار کوچکتر هستند، یافت می‌شود.
یافته‌های این تیم، تحقیقات قبلی را که نشان می‌داد دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای که در اطراف سیارات شناور آزاد تشکیل می‌شوند، می‌توانند برای چندین
میلیون سال دوام بیاورند، تأیید می‌کند. این مدت زمان به اندازه کافی طولانی است که به سیارات اجازه تشکیل دهد.
الکس شولتز(Aleks Scholz) رهبر تیم و ستاره‌شناس دانشگاه «سنت اندروز» می‌گوید: این مطالعات روی هم رفته نشان می‌دهد که اجرامی با جرم‌های قابل مقایسه با سیارات غول‌پیکر، پتانسیل تشکیل منظومه‌های سیاره‌ای مینیاتوری خود را دارند. این منظومه‌ها می‌توانند مانند منظومه شمسی باشند، فقط ۱۰۰ برابر یا بیشتر از نظر جرم و اندازه کوچکتر شده‌اند.
با اثبات احتمال وجود این منظومه‌های کوچک سیاره‌ای بدون ستاره و شناسایی نشانه‌های اولیه شکل‌گیری آن ها، گام بعدی اخترشناسان، شناسایی چنین منظومه‌هایی خواهد بود.
شولز در پایان می‌گوید: این که آیا چنین منظومه‌هایی واقعاً وجود دارند یا خیر، هنوز مشخص نشده است. تحقیقات این تیم در مجله Astronomical منتشر شده است.
تبدیل جلبک به فیبر کربنی
محققان آلمانی روشی نوین برای تبدیل جلبک فتوسنتزی(photosynthetic algae) به یک فیبر کربنی با عملکرد بالا ابداع کرده اند.
به گزارش اینترستینگ انجینرینگ، محققان دانشگاه فناوری مونیخ(TUM) در پروژه Green Carbon یک روش نوین برای تولید اکریلونیتریل، پیش ساز فیبر کربنی از میکروجلبک تجدیدپذیر به جای نفت توسعه داده اند. این جلبک فتوسنتز فعال، دی اکسید کربن را جذب و آن را به عنوان روغن های غنی از انرژی ذخیره می کنند که محققان در مرحله بعد این روغن‌ها را به‌صورت شیمیایی به گلیسرول و در نهایت به آکریلونیتریل تبدیل می‌کنند.
به طور سنتی آکریلونیتریل از پروپیلن مشتق شده از نفت به دست می آید. این فرایند انبوهی دی اکسید کربن آزاد می کند. اما محققان دانشگاه TUM با همکاری انستیتو فرانهوفر برای مهندسی سطح و بیوتکنولوژی (IGB) با استفاده از روغن های جلبکی یک روش حافظ محیط زیست برای این روند ابداع کرده اند.
آن ها برای تست عملکرد ماده حاصل در دنیای واقعی با شرکت آلمانی SGL Carbon همکاری کردند که آکریلونیتریل زیستی را به فیبرهای کربن با تعداد بسیار زیاد (هر کدام شامل ۵۰ هزار رشته مجزا) تبدیل کرد و سپس لایه‌های پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن را ساخت.
به گفته پژوهشگران این مواد زیستی از نظر مقاومت مکانیکی و استحکام با فیبر کربن سنتی برابری می‌کنند. ایرباس نیز به عنوان یکی از شرکای این پروژه ارزیابی چرخه عمر و بررسی های فنی را انجام داده است.
این شرکت هوافضا با توجه به نتایج به دست آمده ماده حاصل را در ساخت ترکیباتی برای یک هلی کوپتر تحقیقاتی به کار برد که در ۲۰۲۴ میلادی برای نخستین بار پرواز کرد و نشان دهنده احتمال نقطه عطفی در صنعت هوانوردی حافظ محیط زیست است.
محققان اکنون به دنبال تأمین مالی جدید برای توسعه فناوری و گسترش استفاده از آن برای سایر مواد مشتق شده از سوخت‌های فسیلی مانند اسید اکریلیک که یک جزء کلیدی در پلیمرهای مدرن به شمار می‌رود، هستند.
