مواد کامپوزیت جدید به وسیله نانو لوله های کربنی ساخته شدند

پژوهشگران به تازگی موفق شدند مواد جدید کامپوزیت را به وسیله نانو لوله های کربنی تولید کنند که در ترکیب با مواد دیگر، ویژگی های منحصر به فرد خود را حفظ می کند.

نانو لوله های کربنی دارای خواصی همچون وزن کم و رسانایی بالای الکتریکی هستند و در مقایسه با فولاد، بسیار پایدارتر می باشند. به دلیل مشخصات منحصر به فردی که این نانو لوله ها دارند، از آنها در مصارف مختلفی همچون باتری های فوق سبک، پلاستیک هایی با کارایی بالا و ایمپلنت های پزشکی استفاده می کنند.

امروزه محققان و صنعتگران در تلاش اند تا مشکلات عدیده ای که این مواد در مقیاس نانو از خود بروز می دهند را برطرف کرده و ویژگی های ممتاز بالا را کاربردی کنند. گفتنی است نانو لوله های کربنی را نمی توان به راحتی با مواد دیگر ترکیب کرد؛ چرا که در صورت ترکیب شدن این مواد، مشخصات مفید خود را از دست می دهند.

به همین دلیل گروه تحقیقاتی نانو مواد کاربردی دانشگاه کیل (Keil) و دانشگاه ترنتو (Trento) به روشی جایگزین دست یافته اند که با کمک آن، لوله های کوچک می توانند علاوه بر ترکیب شدن با سایر مواد، ویژگی های منحصر به فرد خود را نیز حفظ کنند.

سرپرست تیم محققان نانو مواد دانشگاه Keil، «پروفسور راینر ادلانگ»، گفت: «اگر چه نانو لوله های کربنی همانند رشته های فیبر دارای انعطاف بسیار بالایی هستند، ولی با این حال در مقابل تغییرات، بسیار حساس می باشند. در تلاش های قبلی برای اتصال شیمیایی نانو لوله ها به مواد دیگر مشاهده می کردیم که ساختار مولکولی این نانو لوله ها نیز تغییر می کرد؛ در نتیجه خواص آنها را به شدت تحت تاثیر قرار می داد.»

با این وجود، رویه تیم تحقیقاتی دانشگاه های کیل و ترنتو بر پایه فرآینده ساده نفوذ شیمیایی است. در این فرآیند نانو لوله ها را با آب ترکیب نموده و مخلوط نهایی را بر روی یک ماده سرامیکی بسیار متخلخل ساخته شده از اکسید روی قرار می دهند. این سطح همچون یک اسفنج، می تواند مایع را جذب کند.

در ساختار ایجاد شده، نانو لوله های کربنی خود را به یک داربست سرامیکی متصل می کنند و به طور خودکار با هم یک لایه پایدار را می سازند. داربست سرامیکی توسط نانو لوله های کربنی احاطه می گردد؛ این پدیده اثرات جالبی برای داربست و پوشش نانو لوله ای خواهد داشت.

از سویی دیگر، استقامت داربست سرامیکی به مقدار قابل توجهی افزایش خواهد یافت؛ به طوری که توانایی تحمل ۱۰۰.۰۰۰ برابری وزن خود را خواهد داشت. به وسیله پوشش CNT، ماده سرامیکی قابلیت تحمل ۷.۵ کیلوگرم و بدون آن ۵۰ گرم را می یابد.

دانشمندان علم مواد موفق شدند یکی دیگر از مزیت‌ های این فرآیند را نشان دهند. در مرحله دوم این سازوکار، داربست سرامیکی با استفاده از فرآیند سونش شیمیایی (Etching) حل می‌ شود.

سونش به فرآیند پرداخت و لایه‌ برداری از روی سطوح مواد آلی یا معدنی و ایجاد فرو رفتگی در آنها به کمک یک ماده خورنده گفته می شود.

لازم به ذکر است که این فرآیند معمولا به دو صورت خشک یا خیس انجام می پذیرد. در روش خشک اقدام به برداشتن لایه‌ هایی از روی سطح ماده مورد نظر به صورت فیزیکی و مکانیکی می‌ شود.

ابزار به کار گرفته شده بسته به ابعاد قطعه و ظرافت ساختار نهایی از سوهان تا شلیک یون متفاوت است.

در روش خیس معمولا از مواد خورنده شیمیایی برای این کار استفاده می‌ کنند؛ به همین دلیل این روش به اسم سونش شیمیایی شناخته می‌ شود.

در اثر انجام واکنش های بالا، یک شبکه سه بعدی از لوله‌ ها باقی می‌ ماند که هر یک متشکل از یک لایه از نانو لوله ‌های کربنی کوچک است. به این ترتیب محققان توانستند سطح را تا حد زیادی افزایش دهند و در نتیجه امکان واکنش بیشتری را فراهم کنند.

عضو تیم تحقیقاتی این پروژه، فابیان شوت (Fabian Schütt) گفت: «با کمک این فرآیند توانستیم سطح یک زمین والیبال ساحلی را به اندازه یک مکعب به ابعاد یک سانتی‌ متر محدود کنیم. فضاهای بزرگ توخالی درون ساختار سه ‌بعدی می ‌تواند بعدا با مواد پلیمری پر شود. بدین ترتیب نانو لوله ‌های کربنی می ‌توانند بدون تغییر ساختار مولکولی و خواص، به طور مکانیکی با پلاستیک متصل شوند.»

فابیان افزود: «می‌ توان نانو لوله ‌های کربنی را به طور خاص منظم کرد و یک ماده کامپوزیت رسانای الکتریکی را تولید کرد. برای این منظور تنها به میزان خیلی کمی از نانو لوله‌ های کربنی نیاز داریم تا بتوانیم به همان میزان رسانایی دست یابیم.»

این مواد در صنعت باتری و فیلتر به عنوان ماده پر کننده برای پلاستیک‌ های رسانا، ایمپلنت‌ های پزشکی احیا کننده، حسگر ها و قطعات الکتریکی در مقیاس نانو کاربرد دارند.

استفاده از ویژگی رسانایی بالای الکتریکی مواد مقاوم به ازهم پاشیدگی، در برنامه ‌های کاربردی الکترونیک از جمله لباس ‌های کاربردی و یا در زمینه فناوری پزشکی جالب توجه است.

ادلانگ گفت: «با کمک این نانو لوله‌ های کربنی، تولید پلاستیکی که سلول‌ های استخوانی یا قلب را تحریک به رشد کند، امکان ‌پذیر است.»

به خاطر سادگی این روش، محققان توافق نظر دارند که این فرآیند را می‌ توان به ساختارهای شبکه متشکل از دیگر نانو مواد منتقل کرد و در نتیجه طیف وسیعی از کاربردها را برای این مواد میسر می‌ سازد.

جهت مشاهده بیشتر مطالب اینجا کلیک کنید

www.shimisanat.com

 

فیلتر نمک زدایی آب با الگو برداری از مقاله آلن تورینگ ساخته شد

پژوهشگران در تازه ترین اقدامات خود با الگو برداری از یک مقاله ریاضی، موفق به ساخت نوعی فیلتر در مقیاس نانو از لوله های درهم تنیده پلی آمید شدند.

برای ایجاد یک ساختار در مقیاس نانو جهت نمک زدایی آب، از ریاضیات به کار رفته در یک مقاله برجسته که توسط آلن تورینگ، ریاضیدان بزرگ انگلیسی نوشته شده است، استفاده شد.

طبق توضیحات طراحان این فیلتر ساختار توسعه یافته فوق، کارآیی بیشتری نسبت به فیلترهای موجود در بازار دارد.

 در حال حاضر تورینگ با کارهای محاسباتی خود معروف است اما در سال ۱۹۵۲ در خصوص نحوه گسترش الگوهای تکراری در موجودات زنده، مقاله ای نوشت. هر چیزی که دارای الگوهای تکراری بود (خطوط پوشش گورخر، لکه های پوست گربه وحشی و همچنین حرکت چرخشی برگ گیاهان و کلا طبیعت موج دار با رنگ ها، بافت ها و اشکال تکراری) ، توجه او را به خود جلب کرده بود.

تورینگ این تکرارها را ناشی از گروهی از هورمون های مضاعف کننده مورفوژن ها می دانست.

مورفوژن ماده ای است که توزیع غیر یکنواخت آن، الگوی رشد بافت را طی فرآیندی که «مورفوژنسیس» یا ایجاد الگو نامیده می شود، کنترل می نماید.

مورفوژنسیس یکی از مهم ترین فرآیندهای اصلی بیولوژی است که موقعیت انواع مختلف سلول های تخصص یافته را در یک بافت تعیین می کند. در حقیقت مورفوژن مولکول سیگنال ‌دهنده‌ ای است که مستقیما روی سلول عمل می‌ کند تا بر اساس میزان غلظت موضعی آن یک پاسخ سلولی خاص ایجاد شود.

تفاوت در نحوه‌ انتشار یک مورفوژن خاص در بافت یک موجود، توجیه ‌کننده‌ بسیاری از الگوهایی است که در دنیای طبیعی قابل مشاهده است.

گفتنی است که ۶ سال قبل، پژوهشگران انگلیسی بر اساس شواهد تجربی فهمیده بودند که رگ های داخل دهان موش ها مطابق با مدل تورینگ توسعه یافته اند؛ این در حالی است که هنوز مشخص نشده آیا چنین فرآیندهایی در طبیعت به فراوانی یافت می شوند یا خیر.

از دیدگاه بیولوژی ممکن است سوالاتی پیش بیاید اما می دانیم که ریاضیات با هورمون هایی که در بافت های زنده انتشار می یابند، محدود نمی شود. بر همین اصل، محققان از این موضوع به عنوان نقطه آغاز سنتز نوع جدیدی از ماده بهره گرفتند.

محصول واکنش میان تری مزوییل کلرید و پیپرازین، پلی آمید است. پیپرازین در محلول، دیرتر انتشار می یابد؛ به طوری که هر دو معرف از قانون مورفوژن تورینگ پیروی می کنند.

مشکل اصلی ای که برای تهیه ساختار مورد نظر وجود داشت، حرکت سریع تر تری مزوییل کلراید بود. برای کم کردن سرع آن هم از افزودن پلی وینیل الکل (PVA) به این ترکیب استفاده شد.

آنها در طول تجزیه و تحلیل خود با استفاده از میکروسکوپ اتمی، نشان دادند که این ماده شبکه ای از لوله های در مقیاس نانوی تجمع یافته در یک ساختار سه بعدی است؛ ساختاری که قادر است تا برای عملیات فیلتر کردن، عالی ظاهر شود.

تصاویر زیر به خوبی در تصور کردن دو نوع از این ساختار تورینگ موثر است. یکی حاصل تجمع لوله های پر شمار و دیگری حاصل مجموعه ای از نقطه ها است.

این تیم تحقیقاتی برای آزمایش فیلتر تورینگ خود، چندین محلول آب شور را از این ماتریکس عبور دادند. نمک های درشت تری همچون سولفات منیزیم (MgSO4) کاملا حذف شدند اما این فیلتر موفق به جداسازی نیمی از محتویات کلرید سدیم از آب شد.

باید به این نکته اشاره کرد فرآیندی که اکنون به آن نیاز داریم، نمک زدایی در حجم انبوه و با هزینه کم است؛ با این حال همین ساختار طراحی شده از چیزی که در حال حاضر وجود دارد، بسیار بهتر است.

دانشمندان می گویند که این ساختار قادر به فیلتر کردن ۱۲۵ لیتر آب در هر ساعت با در نظر گرفتن فشار ۵ اتمسفری است. این مقدار ۳ برابر کارآمدی بهتر را نسبت به سایر فیلترهای آب کنونی را نشان می دهد.

همچنین باید خاطر نشان کرد که این ابداع زمینه ساز فعالیت های متخصصان مواد در دیگر حوزه ها خواهد بود تا آنها هم به دنبال بررسی أنواع مواد متخلخلی بروند که کاربرد و استفاده های مفید دیگری داشته باشند؛ مانند ایجاد داربستی برای اندام های مهندسی شده بدن.

 

جهت مشاهده بیشتر مطالب اینجا کلیک کنید

www.shimisanat.com

جدول تناوبی رمز گشایی شد؛ دستیابی به مواد ابر رسانا با الگوی مخفی عناصر

طبق تازه ترین دستاورد محققان شیمی، الگویی مخفی در جدول تناوبی مندلیف پیدا شد که می تواند نقطه عطفی برای ساخت مواد ابر رسانا باشد.

به گزارش کمولوژی، این رویداد می تواند یکی از مهم ترین یافته های دانشمندان باشد؛ زیرا یافتن ماده ای که بتواند الکتریسیته را با مقاومت صفر در دماهای بالا هدایت کند، می تواند منجر به تولید دستگاه های فوق العاده کارآمد و شبکه های برق بهینه تر شود.

شبکه های برق فعلی تا ۷ درصد از انرژی خود را به دلیل مقاومت الکتریکی از دست می دهند.

محققان با بهره گیری از الگوریتم هایی در بخش عجیبی از جدول تناوبی عناصر توانستند پیش بینی کنند که کدام عنصرها قابلیت ترکیب با هیدروژن در دمای اتاق را دارند و ابر رسانایی ایجاد نمایند.

باید به این نکته اشاره کنیم که تا قبل از این، مواد ابر رسانای بسیاری شناسایی شده بودند اما آنها می بایست تا دمای بسیار پایین سرد شده یا اینکه تحت فشار شدید قرار بگیرند. در حال حاضر، پژوهشگران فٰرآیندی را برای انتخاب نوع خاصی از جدول تناوبی که جایگاه اکتنیدها است طراحی کردند که با پایداری کافی در شرایط خاص برای بروز خاصیت ابر رسانایی عمل کنند.

نتیجه فعالیت های آنان هم اکنون به کشف ماده ای رسیده است که می تواند به یک ابر رسانای با دمای نسبی منفی ۲۰ درجه سلسیوس تبدیل شود؛ هر چند که هنوز هم با فشار بالا برای فشرده شدن نیاز داریم.

اکتینیدها مجموعه ‌ای از ۱۵ فلز با اعداد اتمی ۸۹ تا ۱۰۳ (اکتینیم تا لارنسیم) هستند که در کنار عناصر عجیب دیگر یعنی لانتانیدها، قرار گرفته ‌اند.

پژوهشگران با مشاهده‌ هدایت الکتریسیته‌ هیدرید‌های فلزی مختلف در دماهای خاص، گمانه ‌زنی ‌هایی پیرامون وجود الگویی وابسته به موقعیت ‌های آن ‌ها در جدول تناوبی کردند اما ارتباط دقیق میان آن‌ ها مشخص نیست.

عناصری در سری آکتینید هم با آزمون ‌و خطا پیدا شدند که نشان می‌ دهد این مکان مناسبی برای سرنخ ‌ها است.

بنابراین گروهی از پژوهشگران به ‌سرپرستی شیمیدان «آرتم اوگانوف»، برای حصول الگوریتمی تلاش کردند که بتواند خواص هیدریدهای اکتینید را با ابر رسانایی آنها مطابقت دهد.

اوگانوف می‌گوید:

«ایده‌ واقعی ارتباط بین ابر رسانایی و جدول تناوبی ابتدا توسط دانشجوی آزمایشگاه من، «دیمیتری سمینوک» مطرح شد. قاعده ‌ای که وی کشف کرد بسیار ساده و واقعا شگفت انگیز است و هیچکس آن را قبلا مشاهده نکرده است.»

پیدا کردن راه‌ هایی برای پیش ‌بینی اینکه چه عناصری می‌ توانند یک ماده‌ ابر رسانا ایجاد کنند، در جهانی که استخراج انرژی تا جای ممکن از منابع توان امری حیاتی تلقی می ‌شود، چالش بسیار بزرگی است.

به عنوان مثال، سیم کاملی را تصور کنید که الکترون ‌ها در آن می ‌توانند بدون برخورد با هیچ اتمی حرکت کرده و بدون هیچگونه اتلاف انرژی به‌صورت گرما جریان یابند.

ابررساناها چنین روندی را با فراهم ساختن زمینه‌ در هم ‌تنیدگی الکترون‌ ها با هم به‌ منظور ایجاد یک جفت کوپر تسهیل می‌ کنند؛  این جفت‌ ها بایستی در نزدیکی یکدیگر نگه داشته شوند و این حالت در اکثر ابر رساناها از طریق ارتعاشاتی در ساختارشان به ‌نام فونون حاصل می‌ شود.

فونون‌ ها ظریف و شکننده هستند؛ بنابراین این مواد باید به‌ طور دقیق تا دمای منفی ۲۳۴/۵ درجه‌ سانتی ‌گراد سرد شوند.

همه‌ این‌ فرآیندها برای اجرا در یک آزمایشگاه خوب است؛ اما اگر می ‌خواهید ابر رسانایی را روی میز تحریرتان داشته باشید، ساز و کاری باید فراهم باشد که نیازی به ابزارهای بزرگ و تجهیزات خنک‌ کننده‌ تخصصی نداشته باشد.

گفتنی است که پژوهشگران از دهه‌ ۱۹۸۰ برخی مواد ویژه را با قابلیت تشکیل جفت کوپر پایدار از طریق نوع دیگری از بر هم‌ کنش با الکترون ‌هایشان یافتند.

این الگوریتم جدید با استفاده از آرایش الکترون‌ ها در عناصر سری اکتینیدها می‌ تواند شرایطی را پیش ‌بینی کند که جفت شدن با هیدروژن در آنها بتواند منجر به ایجاد یک شبکه‌ ایده‌ آل و منتهی به تعامل قوی الکترون‌ فونون شود.

نتیجه‌ کار آنها، کشف هیدرید‌های آکتینیوم ابر رسانایی است که می‌ توانند دارای دمایی تا منفی ۲۰ درجه سانتی‌ گراد باشند.

البته هنوز هم برای ساخت آنها نیاز به فشار ۱/۵ میلیون اتمسفر داریم اما داشتن کنترل بهتر در مورد چگونگی انتخاب و مطابقت عناصر برای ایجاد مواد ابر رسانای گرم، یافته‌ ارزشمند است که باید مورد توجه قرار گیرد.

در حالی که برای داشتن تکنولوژی بدون مقاومت در خانه‌ هایمان هنوز موانع بسیاری پیش روی ما وجود دارد، کشف یک اصل کلی همانند ارتباط با آرایش دوره ‌ای عناصر، قدم مهمی در ساخت چنین موادی است.

 

جهت مشاهده بیشتر مطالب اینجا کلیک کنید

www.shimisanat.com

پلاستیک های شناور در اقیانوس به کمک این دستگاه جمع آوری می شوند

طبق برنامه ریزی های انجام شده، قرار است یک دستگاه خاص با طراحی نوآورانه به زودی کار خود را برای جمع آوری پلاستیک ها و سایر زباله های رها شده در سطح اقیانوس آرام شروع نماید.

در حالی نخستین دستگاه بزرگ جمع آوری پلاستیک دنیا به آب های اقیانوس آرام انداخته می شود که پس از سال ها تلاش برای ساخت آن، اکنون حجم زباله های تجزیه ناپذیری همچون پلاستیک در دریاهای جهان به طرز فاجعه آمیزی افزایش یافته است.

همانطور که گفته شد، اولین ماموریت این دستگاه مبتکرانه در اقیانوس آرام خواهد بود و به تدریج در سایر اقیانوس های زمین استفاده خواهد شد. این دستگاه بین کالیفرنیا و هاوایی و در چرخاب زباله اقیانوس آرام قرار خواهد گرفت؛ چرا که میزان آلودگی در این نقطه بسیار زیاد است.

نکته قابل توجه این است که دستگاه توسط سازمان اوشن کلیناپ (Ocean Cleanup) و دانشجوی ۱۸ ساله هلندی به نام بویان اسلات طراحی شده است.

عملکرد این دستگاه بسیار ساده است. دستگاه بسیار طولانی و مقاوم که از جنس  و پر از هوا ساخته شده است، روی اقیانوس شناور می شود و سرعت آن با لنگرهایی کاهش می یابد تا مجموعه دستگاه آهسته تر از جریان های اقیانوسی حرکت کرده و پلاستیک ها را داخل دستگاه بریزد.

نحوه قرارگیری دستگاه مشابه حرف لاتین U است و کابل های متصل آن برای به حداکثر رساندن قدرت جذب و گرفتن زباله برنامه ریزی شده است. زباله های جمع آوری شده در گوشه ها به مخزن وسط دستگاه منتقل می شوند.

هدف این دستگاه، جمع کردن زباله های پلاستیکی بزرگتر تا عمق ۳ متری است؛ اگر چه تورهای سیمی نایلونی محکم که موجودات دریایی در آن گیر نمی کنند، از دستگاه آویزان خواهد ماند.

طبق بررسی های انجام شده توسط سازمان اوشن کلیناپ، بخش عمده آلودگی ها در سطح آب است. پس از پر شدن مخزن دستگاه، از قایق هایی برای تخلیه زباله ها استفاده می شود.

گفتنی است طول دستگاه اولیه در حدود ۱۲۰ متر است. اگر دستگاه خوب کار کند، می توان آن را با اضافه کردن ۶۰ دستگاه دیگر به چرخاب، به مقداری نزدیک به ۶۲۰ متر هم گسترش داد.

بر اساس شبیه سازی های اوشن کلیناپ، این سیستم قادر به پاکسازی نصف چرخاب زباله اقیانوس آرام خواهد بود و در مدت ۵ سال، قادر به جمع آوری حدود ۳۶ هزار تن زباله پلاستیکی خواهد بود.

با وجود تلاش های قابل توجهی که برای حذف آلایندگی دریایی صورت گرفته است، اما افراد ناراضی هم در این پروژه های زیست دوست وجود دارند. یان فن فرانکر از موسسه پژوهشی دریایی واخینگن در هلند، این پروژه را تلاشی بیهوده می داند و می گوید که پلاستیک دریایی با گذشت زمان کاهش می یابد و نریختن زباله در اقیانوس بهترین راه است.

۴ سال قبل، یعنی در میانه های سال ۲۰۱۴، اقیانوس شناسانی به نام های کیم مارتینی و میریم گلدستین، یک بازبینی فنی از امکان پذیر بودن این پروژه به عمل آوردند و نقص هایی از آن را گزارش کردند.

طبق اظهارات آنها، مطالعه آزمایشی که طراحی دستگاه بر اساس آن صورت گرفته، تنها ۵ متر بالایی اقیانوس را هدف قرار گرفته است و برای جمع آوری زباله های عمقی مناسب نیست. این گفته با پژوهش های محققان اوشن کلیناپ، کاملا در تضاد است.

سازمان غیر دولتی Gyres 5 که بر روی کاهش زباله های پلاستیکی تمرکز دارد، اخیرا گفته که دستگاه ها کمکی به کاهش پلاستیک های ریز نمی کنند. خوردن پلاستیک های ریز موجب به وجود آمدن مشکلاتی جدی برای کاهش موجودات دریایی می شود؛ مثلا مردن از گرسنگی، چون شکم آنها پر از موادی می شود که هیچ ارزش غذایی ندارند.

با این حال، تیم اوشن کلیناپ با اقدامات موثر خود پاسخ بسیاری از منتقدان را داده اند؛ طرح لنگرها را اصلاح کردند، استراتژی برای حفظ موجودات دریایی به کار گرفتند و قصد دارند قبل از اینکه زباله های بزرگ به زباله های کوچک تبدیل شوند، آنها را از سطح دریا جمع آوری کنند.

طراح این پروژه، بویان اسلات که اکنون ۲۳ ساله است به فست کمپانی گفت:

«اکثر پلاستیک های دریایی هنوز بزرگ هستند. بنابراین اگر تا چند دهه دیگر آنها را جمع آوری نکنیم، مقدار پلاستیک های ریز به ۱۰ یا ۱۰۰ برابر حجم فعلی خواهد رسید. این مشکل باید پیش از اینکه اوضاع بدتر شود، مرتفع گردد.

اما تا زمانی که دستگاه کارش را شروع نکند، ما از هیچ موضوعی به طور کامل مطمئن نخواهیم شد.»

شرکت Ocean Cleanup قصد راه اندازی اولین دستگاه در ماه جولای (تیر) را دارد تا نخستین محموله جمع آوری شده از پلاستیک های دریایی خودش را در اواخر امسال تحویل دهد. اسلات همچنین گفت:

«مشکل آلودگی پلاستیک در دریا همیشه به عنوان موضوعی غیر قابل حل مطرح می شد.

بسیار خوب! ما نمی توانیم اقیانوس را تمیز کنیم ولی بهترین کاری که می توانیم انجام دهیم، جلوگیری از بدتر شدن اوضاع است. از نظر من چنین پیامی واقعا ناامید کننده است اما باید بپذیریم که ما به عنوان جامعه بشری، مسبب به وجود آمدن این مشکل شده ایم؛ پس به نظرم حل کردن آن، وظیفه خودمان است.»

 

جهت مشاهده بیشتر مطالب اینجا کلیک کنید

www.shimisanat.com

تبدیل فلز مایع به پلاسما امکان پذیر شد

در تازه ترین دستاوردهای دانشمندان شیمی، نخستین بار محققان آمریکایی توانستند تبدیل فلز مایع به پلاسما را عملیاتی کرده و فرصت های تازه ای برای دستیابی به همجوشی هسته ای ایجاد نمایند.

به گزارش کمولوژی و به نقل از ساینس دیلی، دانشمندان دانشگاه راچستر ایالات متحده آمریکا (Rochester) موفق به تبدیل فلز مایع به پلاسما شده اند و با این کار، روش جدیدی را برای دستیابی به هم جوشی هسته ای ابداع نمودند.

اما احتمالا این سوال برایتان پیش آمده که پلاسما چیست و چه مفهومی دارد. در ادامه به سراغ این موضوع خواهیم رفت.

پلاسما چیست؟

همه ما از کودکی با حالات فیزیکی و مشترک مواد نظیر جامد، مایع و گاز آشنا هستیم؛ اما این تمام ماجرا نیست. حالت های دیگری از ماده وجود دارد که شایع ترین نمونه قابل مشاهده آن در جهان، حالت فیزیکی پلاسما است.

پلاسما گونه ای از جرم تشکیل شده با الکترون های آزاد و یون های مثبت است که الکترون های خود را از دست داده و به راحتی برق را عبور می دهند.

گفتنی است که این حالت ماده به صورت طبیعی بر روی زمین یافت نمی شود؛ هر چند که می توانیم در آزمایشگاه پلاسماهای مصنوعی بسازیم.

متداول ترین راه برای انجام این کار این است که گازی دلخواه را تا چند هزار درجه گرم کنیم تا اتم ها الکترون های خود را از دست بدهند.

این همان کاری است که در حقیقت چراغ های نئونی انجام می دهند. یک جریان الکتریکی از گاز نئون تحریک شده عبور می کند و سپس فوتون ها را به نحوی که الکترون ها از دست بروند، آزاد می نماید.

پلاسمای دوتریم

گرم کردن گاز فقط برای ایجاد حالت پلاسما کاربرد ندارد. پژوهشگران در آزمایشگاه انرژی لیزر دانشگاه راچستر (RLC) توانسته اند پلاسمای متراکم دوتریم ایجاد کنند.

آنها در ابتدا دمای دوتریم مایع فشرده شده را تا ۲۱- کلوین (۴۲۲- درجه فارنهایت) پایین آوردند و سپس دمای آن را به سرعت افزایش دادند و تا نزدیکی ۱۸۰ هزار درجه فارنهایت رساندند. آنها کار خود را به کمک لیزر OMEGA تکمیل کردند تا یک شوک قوی از مایع دوتریم عبور کند.

دانشمندان قادر به مشاهده انتقال این فلز مایع به حالت پلاسما، در حال شفاف شدن این ماده شدند. گفتنی است که در پایان این واکنش ها، ماده فوق به یک ماده بسیار بازتاباننده همچون ظاهر سنتی فلز تبدیل شد.

تبدیل فلز مایع به پلاسما امکان پذیر شد

پتانسیل ماده پلاسما برای همجوشی هسته ای

همجوشی هسته ای که از آن با عناوین دیگری چون گداخت هسته ای و فیوژن یاد می شود، برعکس عمل شکافت هسته ای است.

در فرآیند همجوشی، هسته های سبکی مثل هیدروژن، دوتریم و تریتیم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته های سنگین تر و البته مقداری انرژی تولید می شود.

برای اینکه همجوشی امکان پذیر باشد، هسته هایی که در واکنش وارد می شوند می بایستی دارای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامون خود غلبه نمایند. به همین جهت دماهای وابسته به واکنش های همجوشی، بسیار بالاست.

ماهیت مواد پلاسما برای اینکه در واکنش های همجوشی هسته ای شرکت کنند بسیار مهم است؛ زیرا که اطلاعات جدید می تواند به محققان مدل هایی برای چگونگی استفاده از مواد در صنعت برق و درک بهتر از چگونگی استفاده از مواد در محیط های پر فشار و خشن هستی که متداول ترین منبع انرژی آن همجوشی هسته ای است، می دهد.

محمد زاغو (Mohamed Zaghoo)، یکی از محققان این پروژه است که می گوید:

«این کار تنها یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیست. نتایج تحقیقات ما نشان می دهد که پلاسما، ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجرام اختر فیزیکی همچون کوتوله های قهوه ای است و همچنین حالتی از ماده است که برای رسیدن به همجوشی هسته ای، مورد نیاز می باشد.

این مدل ها به درک ما از نحوه طراحی بهتر آزمایش ها برای رسیدن به همجوشی کمک می کند.»

باید اشاره کرد که کوتوله های قهوه ای ستارگان کوچکی هستند که در زمان تشکیل شدن مرکز خود، به اندازه کافی داغ نمی شوند تا فرآیند ذوب یا همجوشی هسته ای در آنها به وجود بیاید.

به عبارت دیگر، آنها به خورشیدهای نورانی و گرم تبدیل نمی شوند؛ در عوض، بلافاصله بعد از تشکیل سرد شده و نوری از خود نمی تابانند که این موضوع منجر به کاهش دید آنها خواهد شد.

انتقال بی سیم انرژی برق به ادوات متحرک

انتقال بی سیم انرژی برق به ادوات متحرک

 

دانشمندان توانسته‌‌اند سیستمی عملی و پربازده برای شارژ بی‌‌سیم تجهیزات متحرک طراحی کنند که احتمالا آینده‌‌ی صنعت خودروهای الکتریکی، ربات‌‌ها و پهپادها را متحول خواهد کرد.

امروزه تکنولوژی شارژ بی‌‌سیم ازجمله فناوری‌‌های نام‌‌آشنا در صنعت گوشی‌‌های هوشمند به‌‌شمار می‌‌آید؛ ولی آنچه که دانشمندان به‌دنبال آن هستند، سطح بالاتری از این فناوری با قابلیت تأمین انرژی در فواصل دورتر و برای اشیا در حال حرکتی نظیر خودروها است.

تصور کنید با خودروی الکتریکی خود در حال حرکت در جاده هستید و هم‌زمان باتری خودرویتان نیز در حال شارژشدن باشد یا ربات‌‌هایی را تصور کنید که هرگز هنگام جابجایی در محیط کارخانه‌‌ها با مشکل اتمام شارژ باتری‌های خود مواجه نشوند. این می‌‌تواند همان چشم‌‌اندازی باشد که درصورت موفقیت تیم فعلی از پژوهشگران دانشگاه استنفورد، دیگر رؤیایی دور از دسترس محسوب نخواهد شد.

البته فناوری یادشده پیش‌‌تر در سال ۲۰۱۷ نیز معرفی شده بود؛ اما این‌‌بار بازدهی و توان آن بالاتر رفته و البته کاربردی‌‌تر نیز شده است؛ بنابراین انتظار می‌‌رود دیر یا زود شاهد خروج این فناوری از فاز آزمایشگاهی  و ورود آن به مرحله‌ی تجاری‌سازی باشیم. سانهوی فن، از مهندسان برق دخیل در پروژه‌‌ی فعلی می‌‌گوید:

این به‌‌منزله‌‌ی گامی مهم درجهت توسعه‌‌ی یک سیستم عملی و پربازده برای شارژ بی‌‌سیم خودروها و ربات‌‌ها خواهد بود؛ حتی در مواقعی که این تجهیزات با سرعت بالایی در حال حرکت باشند. ما باید تنها توان سامانه را افزایش دهیم تا قادر به شارژ یک خودرو در حال حرکت شویم و من فکر نمی‌‌کنم مانع بزرگی در این مسیر وجود داشته باشد. برای شارژ ربات‌‌ها نیز این فناوری همین حالا قابل‌‌استفاده است.

فناوری انتقال بی‌‌سیم الکتریسیته براساس روش تولید میدان‌‌های مغناطیسی متناوب کار می‌‌کند. این میدان‌‌های نوسان‌‌کننده باعث نوسان الکترون‌‌ها در یک فرکانس خاص می‌‌شوند. مشکل اینجا بود که این فرکانس برای اشیا در حال حرکت، ثبات ندارند. برای همین است که گوشی‌‌های هوشمند امروزی برای شارژشدن نیاز به قرارگیری در یک جایگاه ثابت مخصوص (به‌‌عنوان پد شارژ) دارند.

پژوهشگران دانشگاه استفورد در سال ۲۰۱۷ موفق شده بودند باکمک یک آمپلی‌‌فایر و حلقه‌‌ی فیدبک مقاومتی، میزان فرکانس کاربری دستگاه را در حین حرکت دریافت‌‌کننده تنظیم کنند. در آن زمان، دستگاه تنها قادر به دریافت ۱۰ درصد از توان ارسالی ازسوی فرستنده بود. اما این‌‌بار آن‌‌ها موفق شده‌‌اند بازدهی سامانه را به ۹۲ درصد برسانند. چنین جهش چشمگیری در میزان بازدهی مرهون به‌‌کارگیری یک آمپلی‌‌فایر سوئیچینگ جدید است که به‌‌دلیل دقت بالا و پیچیدگی بسیار، برای طراحی آن بیش از سه سال زمان صرف شد.

ایده‌‌ی اصلی طراحی هنوز براساس فناوری ارائه‌‌شده در سال ۲۰۱۷ است. با حرکت گیرنده، فرکانس متغیر توان ارسالی از فرستنده تنظیم می‌‌شود. این سامانه در حال حاضر می‌‌تواند میزان ۱۰ وات توان را تا فاصله‌‌ای به‌‌اندازه‌‌ی ۶۵ سانتی‌‌متر ارسال کند؛ اما پژوهشگران می‌‌گویند دلیلی نمی‌‌بینند که نتوان ابعاد فعلی سیستم را تا مقیاس‌‌های بسیار بزرگ‌‌تر افزایش داد.

خودروهای برقی برای شارژ شدن نیاز به صدها کیلووات توان دارند و خوشبختانه سیستم نوظهور درصورت استفاده در سطح جاده‌‌ها از سرعت کافی برای فراهم‌‌کردن این میزان توان برخوردار است. تنها محدودیت پیش‌‌رو احتمالا سرعت باتری‌‌ها در جذب این میزان انرژی در سرعت‌‌های بالا خواهد بود.

یکی دیگر از کاربردهای احتمالی فناوری یادشده، قابلیت شارژ باتری ربات‌‌های مشغول در محیط کارخانه‌‌ها باکمک پدهای مخصوص نصب‌‌شده روی کف زمین است. همچنین این کاربری می‌‌تواند شامل حال پهپادهایی شود که با حرکت در نزدیکی سقف محیط‌‌های سربسته می‌‌توانند انرژی لازم را به‌‌صورت بی‌‌سیم از طریق شارژهای سقفی دریافت کنند. درصورت عملیاتی‌‌شدن این فناوری، احتمالا دیگر نیازی نخواهد بود که ربات‌‌ها یا پهپادها برای شارژ به ایستگاه‌‌های ثابت خود بازگردند و عملا امکان فعالیت بی‌‌وقفه‌‌ی این‌گونه تجهیزات فراهم خواهد شد.

اما در این میان موانعی نیز به‌‌چشم می‌‌خورند که شاید یکی از مهم‌‌ترین آن‌‌ها، هزینه‌‌ی بالای پیاده‌‌سازی آن در حال حاضر باشد. با این حال، فناوری یادشده (دست‌کم در مقیاس نمونه‌‌ی اولیه) همین حالا نیز دردسترس است. به‌‌گفته‌‌ی دانشمندان، فرکانس کاری دستگاه در محدوده‌‌ی کاملا بی‌‌خطر برای سلامت انسان قرار می‌‌گیرد.

ما اکنون به فناوری مهمی دست یافته‌‌ایم که می‌‌تواند امکان انتقال بی‌‌سیم انرژی برق آن‌هم برای تجهیزات در حال حرکت فراهم کند؛ موضوعی که شاید انقلابی واقعی در نحوه‌‌ی کاربری گجت‌‌ها و حتی حمل‌‌ونقل جهانی ایجاد کند. پژوهشگران در مقاله‌‌ی اخیر خود در Nature Electronics چنین اظهار داشته‌‌اند که:

به‌‌منظور بهره‌‌گیری کامل از مزایای فناوری انتقال بی‌‌سیم توان بسیار مهم است که یک طرح پایدار و پربازده برای ارسال توان به تجهیزات در حال حرکت ارائه کنیم.

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

 

پژوهشگران چینی نمونه‌ای آزمایشی از موتور جتی ساخته‌اند که از سوخت‌های فسیلی بی‌نیاز است و به‌طوربالقوه می‌تواند مسیر را برای تحقق مسافرت‌های هوایی با کربن خنثی هموار کند.

انسان به‌ویژه در عرصه‌ی حمل‌ونقل به سوخت‌های فسیلی به‌عنوان منبع اصلی انرژی وابسته است. با‌این‌حال، سوخت‌های فسیلی ناپایدار و خطرناک هستند و به‌عنوان بزرگ‌ترین منبع تولید گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شوند و مصرف بی‌رویه‌ی آن‌ها به بروز عوارض تنفسی و تخریب محیط‌زیست دراثر گرمایش زمین منجر شده است. به‌نقل از نیویورک تایمز، هواپیماهای تجاری مسئول انتشار ۲/۵ درصد از گازهای گلخانه‌ای هستند.

اکنون تیمی از پژوهشگران در مؤسسه‌‌ی علم و فناوری دانشگاه ووهان، نمونه‌ای آزمایشی از دستگاهی را رونمایی کرده‌اند که برای پیش‌رانش جت از پلاسمای هوای ریزموج استفاده می‌کند. آن‌ها طرز کار موتور ابداعی خود را در نشریه‌ی AIP Advances تشریح کرده‌اند. جائو تانگ، استادتمام دانشگاه ووهان و نویسنده‌ی پژوهش می‌گوید:

کمک به حل معضلات گرمایش جهانی ناشی از استفاده‌ی انسان از موتورهای احتراقی سوخت فسیلی برای نیرورسانی به ماشین‌آلات نظیر خودروها و هواپیماها، انگیزه‌ی ما از ابداع موتور جدید بود.

پلاسما درکنار جامد و مایع و گاز حالت چهارم ماده محسوب می‌شود و دربردارنده‌ی تراکمی از یون‌های باردار است. پلاسما به‌طورطبیعی در مکان‌هایی نظیر سطح خورشید و جوّ زمین هنگام صاعقه وجود دارد؛ اما انسان می‌تواند به‌طورمصنوعی نیز آن را تولید کند. پژوهشگران با قراردادن هوا زیر فشار زیاد و استفاده از ریزموج برای یونیزه‌کردن جریان هوای فشرده‌شده، جت پلاسما تولید کردند.

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

 

^{طرح‌واره‌ی نمونه‌ی اولیه‌ی دستگاه و تصاویر جت پلاسمای روشن در توان‌های مختلف ریزموج}

شیوه‌ی استفاده‌شده به‌دست دانشمندان چینی با تلاش‌های پیشین انجام‌شده برای ایجاد موتورهای جت پلاسما تفاوتی مهم دارد. دیگر پیشرانه‌های جت پلاسما نظیر کاوشگر فضایی داون ناسا از پلاسمای زنون استفاده می‌کنند. این نوع پلاسما نمی‌تواند بر اصطکاک جوّ زمین غلبه کند؛ از‌این‌رو، برای به‌کارگیری در حمل‌ونقل هوایی از قدرت کافی برخوردار نیست. درعوض، موتور جت پلاسمای پژوهشگران چینی، تنها با استفاده از هوا و الکتریستیه‌ی تزریقی، پلاسمای داغ و پرفشار تولید می‌کند.

بین ساخت نمونه‌ای آزمایشی به‌عنوان طرح مفهومی تا نصب موتور در هواپیمایی واقعی، فاصله‌ای بسیار طولانی وجود دارد؛ اما به‌نقل از پژوهشگران، نیروی تولیدشده‌ی دستگاه آزمایشی توانست توپ فولادی یک‌کیلوگرمی را برفراز لوله‌ای کوارتز با قطر ۲۴ میلی‌متر جابه‌جا کند. در این لوله، هوای پرفشار ازطریق عبور از محفظه‌ی یونیزه‌ساز ریزموج به جت پلاسما تبدیل می‌شود. به نسبت مقیاس، قدرت دستگاه پژوهشگران چینی را می‌توان با موتور جت هواپیمای تجاری مقایسه کرد.

با ساخت آرایه‌ای بزرگ از پیشرانه‌های پلاسما به‌همراه منابع ریزموج پرقدرت، مقیاس طرح آزمایشی را می‌توان به جت تمام‌اندازه افزایش داد. نویسندگان مقاله برای بهبود کارآمدی دستگاه و دستیابی بدین هدف تلاش می‌کنند. تانگ می‌گوید:

نتایج ما نشان داد چنین موتور جتی برپایه‌ی پلاسمای هوای ریزموج می‌تواند به‌طور بالقوه جایگزینی مطمئن برای موتور جت سوخت فسیلی مرسوم باشد.

 

یون‌های نقره چگونه باکتری‌ها را از بین می‌برند؟

دانشمندان می‌خواهند بدانند فلز نقره چگونه می‌‌تواند باکتری‌ها را از بین ببرد تا از این ویژگی برای مقابله با مقاومت آنتی‌بیوتیکی استفاده کنند.

یون‌های نقره چگونه باکتری‌ها را از بین می‌برند؟

 

در حالی که چگونگی کشتن باکتری‌ها توسط فلز خاص نقره رازی سربه‌مهر است، انسان از قرن‌ها پیش خواص ضدمیکروبی آن را می‌شناسند. حال پژوهشگران دانشگاه آرکانزاس در آرکانسای آمریکا، با نگاهی به پویایی پروتئین‌ها در باکتری‌های زنده در سطح مولکولی، گامی بزرگ در جهت درک بهتر این فرآیند برداشته‌اند. یونگ وانگ، استادیار فیزیک و نویسنده‌ی پژوهش جدیدی که در مجله‌ی میکروبیولوژی کاربردی و محیطی منتشر شده است، می‌گوید:

به‌طورسنتی، اثرات ضد میکروبی نقره از طریق زیست‌سنجی (bioassay) سنجیده می‌شود. این روش، اثر یک ماده‌ در ارگانیسم آزمایشی را در برابر یک داروی استاندارد و بدون درمان، مقایسه می‌کند؛ این‌گونه روش‌ها موثر هستند؛ اما معمولاْ تنها تصویر و واکنشی لحظه‌ای را در زمان تولید می‌کنند.

برای اینکه گفته‌ی یونگ‌وانگ بهتر درک شود باید گفت، زیست‌سنجی برای تعیین قدرت نسبی یک ماده (به عنوان مثال، یک دارو یا هورمون یا ماده‌ی سمی) با مقایسه‌ی اثر آن بر روی یک ارگانیسم مدل با استاندارد از پیش آماده شده است. به طور مشابه، زیست‌سنجی روشی برای توسعه‌ی اطلاعات سم‌شناسی روی موجوداتی است که فیزیولوژی آن‌ها شبیه به موجوداتی فرض می‌شود که مورد توجه مستقیم قرار دارند.

یون‌های نقره چگونه باکتری‌ها را از بین می‌برند؟

وانگ و همکارانش برخلاف معمول، از یک روش تصویربرداری پیشرفته استفاده کردند؛ آن‌ها با استفاده از یک میکروسکوپ بومی‌سازی‌شده‌ی «ردیاب تک‌ذره» و فوتوکتیزه‌شده (PALM یا FPALM) پروتئین خاص موجود در باکتری‌های E.Coli را به‌مرورزمان مشاهده و بررسی کردند.

شایان ذکر است فوتوکتیزه‌شده (PALM یا FPALM) یه نوع روش تصویربرداری با میکروسکوپ فلورسانس است که تصاویری با وضوح بسیار بالا ارائه می‌دهد؛ همچنین «اشریشیا کُلی۶» (نام علمی: Escherichia coli) یا بطور اختصار E.coli، نوعی باسیل گرم منفی از خانواده‌ی انتروباکتریاسه‌ است که بطور شایع در روده‌ی جانوران خون‌گرم وجود دارد.

در نهایت برخلاف آنچه که قبلاْ‌ تصور می‌شد، پژوهشگران دریافته‌اند که یون‌های نقره باعث افزایش پویایی یا دینامیک پروتئین می‌شود. وانگ می‌گوید:

یون‌های نقره به عنوان سرکوب‌کننده و ازبین‌برنده‌ی باکتری‌ها شناخته شده است؛ بنابراین انتظار این‌ بود که در مواقع درمان با نقره همه‌چیز در باکتری‌ها کند شود؛ اما در کمال تعجب دریافتیم که پویایی پروتئین سریع‌تر می‌شود.

پژوهشگران مشاهده کردند که یون‌های نقره باعث می‌شود رشته‌های جفت‌شده‌ی DNA از باکتری‌ها جدا شوند و اتصال بین پروتئین و DNA تضعیف شود. وانگ اضافه می‌کند:

بنابراین پویایی سریع‎تر پروتئین‌ها ناشی از نقره، قابل درک است. وقتی پروتئین به DNA متصل می‌شود، به آرامی همراه با DNA حرکت می‌کند؛ چراکه یک مولکول حجیم در باکتری است. درمقابل وقتی با نقره درمان شود، پروتئین از DNA جدا می‌شود و به‌خودی‌خود حرکت می‌کند؛ بنابراین سریع‌تر می‌شوند.

مشاهده‌ی جداسازی DNA ناشی از یون‌های نقره جزو کارهای اولیه وانگ و همکارانش بود؛ آن‌ها این‌کار را از طریق خم‌کردن DNA انجام داده بودند. در حال حاضر رویکرد آن‌های ثبت‌اختراع تحت فشارقراردادن DNA با استفاده از خم‌کردن آن‌ها است؛ این کار DNA را مستعد تعامل با سایر مواد شمیمیایی، از جمله یون‌های نقره می‌کند.

اکنون با تأمین بودجه‌ توسط بنیاد ملی علوم، ایده‌ی تحقیق درباره پویایی پروتئین‌های منفرد در باکتری‌های زنده تأیید شده است؛ وانگ گفت:

این رویکرد می‌تواند به پژوهشگران در درک واکنش‌های واقعی باکتری‌ها نسبت به نانوذرات نقره کمک‌کند. نانوذرات‌نقره برای مبارزه با سوپرباگ‌های مقاوم در برابر آنتی‌بیوتیک‌های معمول که تجویز می‌شوند، پیشنهاد شده است. آنچه که ما در نهایت می‌خواهیم این است که با استفاده از دانش جدید حاصل از این پروژه، آنتی‌بیوتیک‌های بهتری براساس نانوذرات نقره ساخته شوند.

کشف ویروس‌های غول‌پیکر دارای ویژگی‌های منحصر به فرد

دانشمندان ویروس‌های غول‌پیکری را کشف کرده‌اند که دارای ویژگی‌هایی هستند که پیش از این تنها در سلول‌های زنده دیده شده بود.

کشف ویروس‌های غول‌پیکر دارای ویژگی‌های منحصر به فرد

پژوهشگران با بررسی ژن‌های موجود در محیط‌های مختلفی مانند بزاق انسان، مدفوع حیوانات، بیمارستان‌ها، خاک و موارد دیگر، صدها ویروس غول‌پیکر پیدا کرده‌اند. برخی از این ویروس‌ها دارای قابلیت‌هایی هستند که تا پیش از این تنها در حیات سلولی دیده شده بود.

یک گروه پژوهشی بین‌المللی تحت هدایت دانشمندانی از دانشگاه برکلی کالیفرنیا گروه‌های کاملا جدیدی از فاژهای غول‌پیکر را پیدا کرده‌اند (ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند) و ۳۵۱ توالی ژنی را با هم ترکیب کردند. پژوهشگران درون این توالی‌ها، ژن‌هایی را پیدا کردند که ویژگی‌های غیرمنتظره‌ای را کدگذاری می‌کردند ازجمله بخش‌هایی از دستگاه سلولی را که دستورالعمل‌های DNA را برای ساخت پروتئین خوانده و اجرا می‌کند (فرایند ترجمه). باسم الشایب و جیل بانفیلد از دانشگاه برکلی در مصاحبه با ساینس‌آلرت گفتند:

آن‌ها دارای تعداد غیرمعمولی از اجزای دستگاه ترجمه هستند که در یک ویروس معمولی دیده نمی‌شود.

فرایند ترجمه در ساختارهای مولکولی موسوم به ریبوزم‌ها صورت می‌گیرد و پژوهشگران واقعا ژن‌هایی را پیدا کردند که برخی از مولفه‌های آن‌ها (پروتئین‌های ریبوزومی) را کدگذاری می‌کردند. روهان ساچدوا متخصص اکولوژی میکروبی از دانشگاه برکلی گفت:

به‌طور معمول، چیزی که زنده را از غیرزنده جدا می‌کند، داشتن ریبوزوم و توانایی ترجمه است. این یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که ویروس‌ها را از باکتری‌ها جدا می‌کند. برخی از فاژهای بزرگ دارای ماشین‌آلات ترجمه زیادی هستند، بنابراین این مرزبندی را تا حدودی مبهم می‌کنند.

پژوهشگران همچنین توالی‌های کدکننده‌ی سیستم‌ کریسپر را نیز پیدا کردند. سیستم کریسپر به‌عنوان سیستم ایمنی که باکتری‌ها از آن برای مقابله‌با ویروس‌‌ها استفاده می‌کنند، نیز وجود دارد. ویروس‌های تازه کشف‌شده همه دارای ژنوم‌هایی با طول بیش از ۲۰۰ هزار جفت نوکلئوتید هستند درحالی‌که میانگین اندازه‌ی ژنوم فاژهای شناخته‌شده، بیشتر و درحدود ۵۲ هزار جفت باز است.

برخی از ژنوم‌های فاژی که پژوهشگران شناسایی کردند واقعا غول‌آسا بودند؛ پژوهشگران یک گروه را «فاژهای غول‌آسا» نامیدند و در نام‌گذاری ۹ گروه جدید دیگر نیز از کلمه‌ی «بزرگ» استفاده کردند. الشایب و بانفیلد گفتند:

ژنوم این فاژها حداقل ۴ برابر ژنوم یک فاژ معمولی است و بزرگ‌ترین آن‌ها ۱۵ برابر حالت معمول بوده و ۷۳۵ هزار جفت باز دارد.

 تصور می‌شود این فاژهای بزرگ‌تر باعث آلوده‌شدن باکتروئیدها شوند. باکتروئیدها گروهی از باکتری‌ها هستند که به‌طور گسترده در محیط پیراموان ما و از خاک گرفته تا روده‌های ما حضور دارند. ژنوم این فاژهای سنگین به اندازه‌ی کافی بزرگ است که رقیب ژنوم باکتری‌های کوچک شود اما پاندورا ویروس‌های آلوده‌کننده‌ی آمیب همچنان با ۲/۵ میلیون جفت باز، مقام اول بزرگ‌ترین ژنوم ویروسی را دارند. ساچدوا گفت:

فاژهای بزرگی قبلا شناسایی شده‌اند اما آن‌ها یافته‌های پراکنده‌ای بودند. چیزی که ما در این مقاله پیدا کردیم، آن است که این‌ها اساسا همه جا هستند. ما آن‌ها را درجایی می‌بینیم.

همچون سایر فاژها، این گروهاز ویروس‌ها، DNA خود را به میزبان باکتریایی خود تزریق می‌کنند و تجهیزات تکثیر ژن قربانی را برای ساخت نسخه‌های از خودشان به خدمت می‌گیرند. پژوهشگران گمان می‌کنند که حین این اتفاق، فاژهای غول‌پیکر همچنین از برخی از ژن‌های اضافی خود برای تغییر مسیر مراحل اولیه ترجمه درون باکتری استفاده می‌کنند و تولید پروتئین را متناسب با نیاز خود منحرف می‌کنند. چنین کنترلی از تولید پروتئین در ویروس‌های جانوری دیده شده است.

کشف ویروس‌های غول‌پیکر دارای ویژگی‌های منحصر به فرد

_{یک فاژ غول‌پیکر (مورد ۲۶) یک باکتری را آلوده کرده و پاسخ آن دربرابر فاژهای دیگر را دستکاری می‌کند}

الشایب توضیح داد که فاژهای غول‌پیکر از سیستم کریسپر خود برای جنگ فاژ دربرابر فاژ استفاده می‌کنند و ویروس‌های رقیبی را که قصد دارند همان باکتری میزبان را آلوده کنند، به‌طور اختصاصی مورد هدف قرار می‌دهند. مطالعه‌ای که در سال گذشته منتشر شد، نشان داد که چگونه برخی از فاژها از این سیستم برای خنثی‌کردن اقدامات ضدفاژی باکتری میزبان استفاده می‌کنند. بانفیلد گفت:

چیزی که با نگاه کردن به این ژنوم‌های بزرگ متوجه می‌شویم، آن است که فاژها ژن‌ها و مسیرهای مختلف زیادی را به‌دست آورده‌اند؛ برخی از آن‌ها را می‌توانیم پیش‌بینی کنیم و برخی را نیز نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم زیرا درجریان عفونت، فاژ واقعا کنترل عملکرد میزبان باکتریایی خود را به دست می‌گیرد.

هرچه درمورد ارتباطات بین سلامت جسم و روان و میکروب‌هایی که درون بدن و محیط پیرامون زندگی می‌کنند، دانش بیشتری کسب می‌کنیم، بیشتر متوجه می‌شویم که هرچیزی که روی این جوامع باکتریایی اثر بگذارد، می‌تواند تاثیر عمیقی روی ما نیز داشته باشد. الشایب گفت:

فاژها همچنین به انتقال ژن‌های کدکننده‌ی سموم باکتریایی و مقاومت آنتی‌بیوتیکی بین باکتری‌ها معروف هستند. از آن جایی که ما هم باکتری‌های مفید و هم باکتری‌های مضر را داریم که روی سطح بدن و نیز داخل بدن ما زندگی می‌کنند، درک اینکه چه انواعی از فاژها همراه باکتری‌ها در بدن انسان‌ها و حیوانات وجود دارند و چگونه روی محیط‌های مذکور تاثیر می‌گذارند، از اهمیت زیادی برخوردار است.

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که سیستم‌های کریسپری که برخی از این فاژها دارند، شاید این قابلیت را داشته باشد که به ما کمک کند تا با تغییر عملکرد باکتری‌ها یا حذف باکتری‌های مشکل‌ساز، میکروبیوم خود را کنترل کنیم. الشایب و بانفیلد اکنون امیدوارند که برخی از این فاژهای غول‌آسا را در آزمایشگاه پرورش دهند تا درمورد سیستم‌های کریسپر فاژها دانش بیشتری به‌دست آورند و نقش‌های آن‌ها را کشف کرده و ارزش آن‌ها را در ویرایش ژن ارزیابی کنند. کریستوف ویگل، متخصص بیوشیمی که در این مطالعه مشارکتی نداشته است، می‌گوید مقاله‌ی حاضر از ایده‌ی درنظرگرفتن ویروس‌ها به‌عنوان «ویروسل زنده» حمایت می‌کند. بانفیلد توضیح داد:

این فاژهای عظیم، شکاف بین «باکتریوفاژهای غیرزنده» و «باکتری‌ها و آرکیاها» را پر می‌کنند. قطعا استراتژی‌های موفقی برای زندگی وجود دارد که ترکیبی از ویروس معمولی و ارگانیسم‌های زنده معمولی است.

اگرچه مطالعه‌ی حاضر درمورد تنوع زیستی ویروس‌ها نیز دانش زیادی همراه خود دارد، درحال‌حاضر، مهم‌ترین بحثی که پیش می‌آید، معنای واقعی زنده بودن است.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

دانشمندان امیدوار هستند بتوانند به کمک برخورددهنده‌های غول‌آسا، هشتمین سطر از جدول تناوبی را پر کنند و اتم‌های جدیدی را کشف کنند که تاکنون دیده نشده‌اند.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

 

شاید تبدیل فلزهای اصلی مانند سرب به فلز طلا برای کیمیاگران قرون وسطا، تلاشی بیهوده بود اما به آن‌ها در درک اولیه‌ی جایگاه انسان در جهان کمک بسیاری کرد. بسیاری از جادوها و افسانه‌های آمیخته درباره‌ی کیمیاگری، به‌دنبال اهدافی مثل پرده‌برداری از راز طول عمر انسان بودند. در نگاه اول، چنین تلاشی در دنیای امروزی عجیب به‌نظر می‌رسد؛ اما فیزیک‌دان‌های کنونی هم به شیوه‌ی خود مجذوب کیمیاگری شده‌اند با این تفاوت که هدف آن‌ها، تبدیل عناصر به یکدیگر است.

آن‌ها کاری را انجام می‌دهند که برای کیمیاگران باستان ممکن نبود: ساخت اتم‌های جدید که به حوزه‌ی شناخته‌شده‌ها نفوذ می‌کنند و نکات زیادی را درباره‌ی رفتار ماده در جهان ارائه می‌دهند. کوسوکه موریتا، فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه کیوشوی ژاپن یکی از کیمیاگران مدرن است. او سرپرست اولین تیم آسیایی بود که موفق به ساخت عنصر فوق سنگین ۱۱۳ در جدول تناوبی شد.

این بار دانشمندان به‌جای تلاش برای تبدیل فلزی بی‌ارزش به فلز ارزشمند با اشیایی افسانه‌ای مثل سنگ جادو فیلسوف، رویکرد دیگری دارند. هدف آن‌ها رسیدن به اتم‌های جدید از طریق برخورد اتم‌ها است. تاکنون ۱۱۸ عنصر در جدول تناوبی شناخته‌ شده‌اند. رقابت بر سر یافتن عنصر ۱۱۹ بالا گرفته است. در طبیعت روی زمین عنصری با بیش از ۹۲ پروتون در هسته‌ی اتم وجود ندارد. در جدول تناوبی عناصر، عدد اتمی برابر با تعداد پروتون‌ها است. با این حال می‌توان در محیط آزمایشگاه و از طریق ترکیب اتم‌ها، به اتم‌های بزرگ‌تری دست یافت.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{تلاش بیهوده‌ی کیمیاگران قرون وسطا برای تبدیل عناصری مثل سرب، امروزه در کیمیاگری مدرن، شکل جدیدی به خود گرفته است}

 

در عمل، ترکیب عناصر سنگین با عدد اتمی بالاتر از عنصر ۱۱۳، کار دشواری است. وقتی دو اتم با یکدیگر برخورد می‌کنند، پروتون‌های باردار مثبت در هسته‌ی اتم‌ها، نیروی دافعه‌ی الکترواستاتیک را ایجاد می‌کنند. دانشمندان برای پیشگیری از جدا شدن اتم‌ها باید آن‌ها را با سرعت‌های بالایی برخورد دهند. معمولا در این فرایند از یک عنصر به‌عنوان هدف استفاده می‌شود و با پرتوی شدید یون‌های عنصر دوم که با سرعت هزاران کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند، بمباران می‌شود.

بزرگ‌ترین مشکل در ترکیب عناصر فوق سنگین، کوچک بودن هسته‌ی اتم است که عرض آن تنها به یک تریلیونیوم سانتی‌متر می‌رسد. در صورت برخورد دو هسته‌ی اتم، شانس ترکیب آن‌ها تنها یک در ۱۰۰ تریلیون است. حتی با فرض برخورد مستقیم و ترکیب دو هسته‌ی اتمی با یکدیگر، ثابت ماندن این وضعیت در مدت زمانی‌که برای کشف آن کافی باشد، چالشی دیگر است. ایزوتوپ‌های ۱۱۳ (انواع اتم‌هایی که به دلیل تعداد نوترون‌های موجود هسته‌ی اتمی، وزن اتمی متفاوتی دارند) در مرکز نیشتای RIKEN در ژاپن، تنها یک هزارم ثانیه دوام آوردند. بااین‌حال، موریتا مرد علم است و این سختی‌ها او را ناامید نکردند؛ زیرا با وجود چند پژوهش منطبق دراین‌زمینه همچنان امیدوار بود به نتیجه‌ی خوبی برسد.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{کوسوکه موریتا در حین تلاش برای اثبات نیوهونیوم، اهمیتی به اندک پژوهش‌های مرتبط نمی‌داد}

از طرفی پروژه‌ی موریتا و همکاران او، فاصله‌ی زیادی با ماورا‌ء‌الطبیعه و جادو داشتند. موریتا می‌گوید: «عنصر ۱۱۳ زمانی ترکیب شد که سرعت پرتوی هسته‌ی عنصر روی را بالا بردیم و آن را با ده درصد سرعت نور، به عنصر هدف بیسموت زدیم.» عنصر ۱۱۳ در بازه‌ای ۹ ساله و پس از چهار تریلیون برخورد، سه مرتبه ساخته شد؛ اما همین سه مرتبه برای شناخت و کشف این عنصر کافی بود.

با وجود خاموشی موقتی ژاپن در زلزله‌ی بزرگ توهوکو در سال ۲۰۱۱، تیم موریتا در تاریخ ۱۲ اوت ۲۰۱۲ به مشاهده‌ی مهمی دست یافت که شبهات قبلی درباره‌ی وجود عنصر ۱۱۳ را رد می‌کرد. کیتلین کوک، فیزیک دان هسته‌ای دانشگاه ایالتی میشیگان می‌گوید:

تنها با مشاهده‌ی واپاشی عنصر می‌توانیم از کشف آن خبر دهیم. تمام این عناصر رادیواکتیو هستند و ذرات آلفا منتشر می‌کنند. انرژی واپاشی آلفا حکم اثر انگشت هسته‌ای مشخص را دارد که با آشکارساز، قابل اندازه‌گیری است. در فرایند ساخت عنصر جدید، واپاشی جدیدی را شاهد خواهیم بود. این واپاشی هسته‌هایی را تولید می‌کند که زنجیره‌ی واپاشی آن‌ها قبلا شناخته شده‌اند.

گروه موریتا پس از کشف عنصر، حق نام‌گذاری آن را هم داشتند. پس از مشورت، بالاخره اسم نیهونیوم با نماد Nh برای این عنصر انتخاب شد. به مناسبت این کشف جدید، خیابانی در شهر واکو براساس عنصر جدید نام‌گذاری شد. موریتا پس از کشف عنصر ۱۱۳  در خبرنامه‌ی RIKEN گفت:

از دیدگاه شیمی، این کشف اهمیت زیادی دارد زیرا یکی از جاهای خالی را در جدول تناوبی پر می‌کنیم و ممکن است تنها ۱۷۳ فضای خالی دیگر در این جدول وجود داشته باشد.

طبق محاسبات دانشمندان، قبل از واپاشی هسته‌ی اتم امکان تولید حداکثر ۱۷۲ الی ۱۷۳ عنصر وجود دارد. اگرچه به اعتقاد برخی، جدول تناوبی بیش از این هم قابل گسترش است.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{گروه‌های پژوهشی امیدوار هستند بتوانند برای اولین‌بار عنصر ۱۱۹ را بسازند و جدول تناوبی را گسترش دهند}

موریتا می‌گوید:

تاکنون کمتر از ۱۲۰ عنصر کشف شده‌اند. کشف عناصر، اهمیت نمادین دارند. تمام عناصر گذشته در غرب کشف شده‌اند و حالا عنصری داریم که در آسیا کشف شده است.

موریتا و تیم او بر سر کشف عنصر جدید دیگری به رقابت می‌پردازند که آغازگر سطر هشتم جدول تناوبی خواهد بود. عنصر ۱۱۹، موقتا اونونیوم نام‌گذاری شده است و هنوز عنصری فرضی است که احتمالا هفتمین فلز قلیایی با خواصی مشابه دیگر عناصر فرار این گروه مثل لیتیم، سدیم، پتاسیم و سزیم خواهد بود.

ترکیب عنصر و کشف آن کار ساده‌ای نیست. به‌گفته‌ی جیمز روبرتو، رئیس آزمایشگاه علم و فناوری در آزمایشگاه ملی اوک ریج تنسی: «برای دستیابی به عنصر ۱۱۹ و برخورد پرتوهای وانادیوم به هدف کوریوم، ماه‌ها زمان لازم است.» حتی پس از این تلاش‌ها ممکن است، عنصر تولیدی ۱۱۹ بسیار کوچک و دارای عمری بسیار کوتاه باشد. یکی از چالش‌های دیگر، تضمین دوام کوریم در طول بمباران است.

ممکن است عنصر ۱۱۹ عمر بسیار کوتاهی داشته باشد

تیم ژاپنی با رقابت شدید از سوی دیگر گروه‌های اطراف دنیا از جمله تیم مؤسسه‌ی مشترک پژوهش‌های هسته‌ای در دوبنای روسیه روبه رو است. سرپرست این تیم، فیزیکدانی به‌نام یوری اوگانسیان است و عنصر اوگانسن (سنگین‌ترین عنصر جدول تناوبی) با الهام از او نام‌گذاری شده است. او برای اولین‌بار در ترکیب عنصر اوگانسن در سال ۲۰۰۲ نقش داشت. تیم روسی مسیر دشواری را طی کرده است و تاکنون موفق به کشف چهار عنصر سنگین ۱۱۴ تا ۱۱۸ در جدول تناوبی شده است.

هر دو تیم مذکور از واکنش همجوشی داغ برای یافتن عنصر ۱۱۹ استفاده می‌کنند، تیم اوگانسن از همین روش برای کشف عناصر ۱۱۴ تا ۱۱۸ استفاده کردند. در این روش از دماهای بالا برای همجوشی هسته‌ها استفاده می‌شود. روس‌ها می‌خواهند از پرتوی تیتانیوم برای بمباران هدف برکلیوم استفاده کنند درحالی‌که تیم ژاپنی قصد دارد از وانادیم برای بمباران کوریم استفاده کند.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{پرتودهی به هدف کوریوم با پرتوی وانادیوم و تولید عنصر ۱۱۹، به ماه‌ها زمان نیاز دارد، نام عنصر کوریم، برگرفته از نام ماری کوری و همسر او است.}

هیرومیتسو هابا، یکی از رهبران تیم گروه پژوهشی موریتا در RIKEN می‌گوید:

 احتمال واکنش تیتانیوم، برکلیوم بیشتر از واکنش وانادیوم، کوریم است بااین‌حال برکلیوم هدف بسیار کمیابی است و دسترسی پیوسته به این ماده برای ما دشوار است زیرا نیمه عمر ایزوتوپ برکلیوم کمتر از یک سال است. ازآنجاکه آزمایش ما چند سال به طول می‌انجامد، هدفی مثل کوریم را ترجیح می‌دهیم که عمر طولانی‌تری دارد.

صرف‌نظر از اینکه گروه‌ها از چه عناصری به‌عنوان هدف استفاده کنند، هر دو عنصر هدف از رآکتور هسته‌ای آزمایشگاه ملی اوک ریج به دست می‌آیند. تیم موریتا برای دستیابی به عنصر ۱۱۹، از دو نوع شتاب‌دهنده‌ی ذرات استفاده خواهد کرد. کار با پرتوی سیکلوترون آغاز می‌شود که ذرات را دور یک حلقه‌ی بسته پرتاب می‌کند، سپس شتاب‌دهنده‌ی خطی فعال می‌شود. هیدتو اینیو، رئیس مرکز علوم شتاب‌دهنده‌ی نیشینای RIKEN، می‌گوید:

سیکلوترون حلقه‌ای بسیار تطبیق‌پذیر است و بسیاری از کاربران دیگر مؤسسه به‌دنبال استفاده از آن هستند. با استفاده از شتاب‌دهنده‌ی خطی جدید به نتایج خوبی خواهیم رسید؛ و مهم‌تر از هرچیز می‌توانیم دو جستجوی موازی را با استفاده از دو شتاب‌دهنده‌ اجرا کنیم.»

تیم پژوهشی ژاپنی آزمایش پرتوی اول را در ماه فوریه انجام خواهند داد. آن‌ها می‌گویند: «آزمایش دوم در سال مالی ۲۰۱۹ ژاپن اجرا خواهد شد.»

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{دانشمندان روسی تاکنون چهار عنصر سنگین در جدول تناوبی را کشف کرده‌اند}

در صورت موفقیت پژوهشگران، عصر جدیدی در علوم اتمی آغاز خواهد شد. فیزیک‌دان‌ها معتقدند سطر هشتم جدول تناوبی جایی برای جستجوی جزیره‌ی ثبات خواهد بود. سطر هشتم منبع ایزوتوپ‌ عناصر فوق سنگین با عددهای جادویی خواهد بود که به‌شدت پایدار هستند و نیمه عمر آن‌ها می‌تواند به صدها سال برسد. درنتیجه باتوجه به خصوصیت‌ّهای این عناصر، زمینه‌ی کاربردهای جدید آن‌ها فراهم خواهد شد.

کاربردهای بالقوه‌ی کشف عناصر جدید در نگاه اول واضح نیست؛ اما آن‌ها در آینده به‌شدت سودمند خواهند بود. برای مثال می‌توان به کشف عنصر گادولینیوم در ۱۸۸۰ و تکتونیوم در ۱۹۳۷ اشاره کرد. این دو عنصر، فلزهایی هستند که در اسکن‌های پزشکی از جمله تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تومورگرافی (CT) کاربرد دارند و به تصویربرداری از بافت‌ها کمک می‌کنند. در صورتی که عناصر جدید موریتا و همکاران او، در آینده سودمند واقع شوند می‌توانند هدف کیمیاگران قدیمی را محقق کنند با این تفاوت که ارزش آن‌ها از طلا هم بیشتر خواهد بود.