پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن نانوماده‌ای جدید توسعه داده‌اند که می‌تواند به رنگ لباس‌ها و تجهیزات محافظتی افزوده شود و با جذب و تجزیه برخی مواد شیمیایی خطرناک، میزان مواجهه افراد با این ترکیبات را کاهش دهد. این نانوماده با الهام از رنگدانه طبیعی ملانین طراحی شده است و می‌تواند در آینده برای تولید لباس‌ها، ماسک‌ها و تجهیزات محافظتی مورد استفاده افرادی مانند کشاورزان، کارکنان صنایع شیمیایی و نیروهای نظامی قرار گیرد.
مواد شیمیایی آلی فسفردار، گروهی از ترکیبات هستند که در برخی آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها وجود دارند و ترکیبات مشابه آن‌ها در میان عوامل عصبی نیز دیده می‌شود. مواجهه با برخی از این مواد می‌تواند عملکرد دستگاه عصبی را مختل کند و پیامدهای بسیار خطرناکی برای انسان داشته باشد. از همین رو، توسعه موادی که بتوانند پیش از رسیدن این ترکیبات به بدن، آن‌ها را جذب یا غیرفعال کنند، یکی از زمینه‌های مورد توجه در طراحی تجهیزات محافظتی است.
در پژوهش جدید، دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن نانوذراتی طراحی کرده‌اند که می‌توانند در ساخت رنگ و پوشش مورد استفاده برای الیاف و پارچه‌ها به‌کار گرفته شوند. ایده اصلی این است که این نانومواد به جای آنکه تنها مانند یک سد فیزیکی در برابر مواد سمی عمل کنند، بتوانند ترکیبات خطرناک را جذب کرده و سپس با استفاده از یک واکنش شیمیایی، آن‌ها را تجزیه کنند.
پژوهشگران برای ساخت این نانوماده از «آلوملانین» یا آلملانین مصنوعی الهام گرفته‌اند؛ رنگدانه‌ای تجدیدپذیر و زیست‌تخریب‌پذیر که در طبیعت در گیاهان و قارچ‌ها یافت می‌شود و در ایجاد رنگ تیره آن‌ها نقش دارد. یکی از ویژگی‌های مهم این ماده، ساختار متخلخل آن است. درون آلوملانین شبکه‌ای از منافذ بسیار ریز وجود دارد که می‌تواند مانند یک جاذب، مولکول‌های شیمیایی را به دام بیندازد.
دانشمندان برای افزایش قابلیت واکنش‌پذیری این ساختار، خوشه‌هایی از زیرکونیوم را نیز به آن اضافه کردند. زیرکونیوم در این ساختار نقش کاتالیزور را ایفا می‌کند و می‌تواند واکنش‌های شیمیایی مربوط به تجزیه ترکیبات سمی را تسریع کند. در نتیجه، دو بخش اصلی نانوماده با همکاری یکدیگر عمل می‌کنند: ساختار متخلخل آلملانین مواد شیمیایی خطرناک را جذب می‌کند و خوشه زیرکونیومی به تجزیه آن‌ها کمک می‌کند.
سوفیا آمان، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه ناتان جیانِسکی و یکی از نویسندگان نخست این مطالعه، تأکید کرده است که وجود ساختار متخلخل در این ماده اهمیت اساسی دارد. به گفته او، زمانی که پژوهشگران مواد مشابه ملانین را آزمایش کردند، عملکرد آن‌ها به اندازه آلملانین مؤثر نبود. این نتایج نشان می‌دهد که ساختار متخلخل، یکی از عوامل کلیدی در عملکرد این نانوماده محسوب می‌شود.
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم فناوری جدید، فعال‌شدن آن در حضور آب است. برای انجام واکنش شیمیایی موردنظر، محیط باید به‌شدت بازی باشد و به pH حدود ۱۰ یا بیشتر برسد. پژوهشگران به جای افزودن یک ماده بازی خارجی، گروه‌های شیمیایی بازی را مستقیماً روی سطح نانوذرات قرار داده‌اند. در این شرایط، آب می‌تواند فرایند فعال‌شدن نانوذرات را آغاز کند و زمینه را برای تجزیه ترکیبات شیمیایی خطرناک فراهم آورد.
البته تجزیه این مواد شیمیایی موضوع ساده‌ای نیست؛ زیرا محصول حاصل از شکستن یک ترکیب آلی فسفردار می‌تواند شامل موادی با درجات مختلف سمیت باشد. در آزمایش‌های این پژوهش، یکی از محصولات تجزیه‌شده، دی‌متیل فسفات، غیرسمی گزارش شد، اما ترکیب دیگری به نام متیل نیتروفنیل همچنان دارای اثرات سمی است.
این ترکیب سمی می‌تواند آنزیم‌هایی را که در خون وظیفه تجزیه یک انتقال‌دهنده عصبی مهم به نام استیل‌کولین را بر عهده دارند، مهار کند. در صورتی که این آنزیم‌ها نتوانند استیل‌کولین را تجزیه کنند، این ماده در دستگاه عصبی تجمع پیدا می‌کند و ارتباط طبیعی مغز با سایر بخش‌های بدن را مختل می‌سازد. به همین دلیل، کاهش مقدار و قدرت اثر این محصول سمی، بخش مهمی از عملکرد مورد انتظار از نانوماده جدید است.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که نانوذرات توسعه‌یافته می‌توانند هم مقدار ماده شیمیایی سمی و هم قدرت اثر آن را کاهش دهند. آلملانین ابتدا ماده خطرناک را جذب می‌کند و سپس واکنش تجزیه‌ای آغاز می‌شود، در حالی که محصول غیرسمی دست‌نخورده باقی می‌ماند. پژوهشگران گزارش کرده‌اند که طی ۱۰ دقیقه، مقدار محصول سمی تا ۵۰ درصد کاهش یافت و این روند با افزایش مقدار ملانین و قرار گرفتن ماده در معرض نور خورشید ادامه پیدا کرد.
نور خورشید نیز در این فناوری نقش مهمی دارد. ملانین به‌صورت طبیعی با نور خورشید واکنش نشان می‌دهد و می‌تواند انرژی نور را جذب و به گرما تبدیل کند. پژوهشگران دریافتند که قرار گرفتن آلملانین در معرض نور خورشید، فرایند سم‌زدایی را سرعت می‌بخشد. بنابراین، این نانوماده نه‌تنها از ساختار طبیعی ملانین برای جذب ترکیبات استفاده می‌کند، بلکه از یکی دیگر از ویژگی‌های ذاتی آن، یعنی جذب نور و تولید گرما، نیز بهره می‌گیرد.
ناتان جیانِسکی، از پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن و یکی از نویسندگان مسئول مقاله، می‌گوید گروه تحقیقاتی او بیش از ۱۲ سال است که ویژگی‌های گوناگون ملانین را در طبیعت بررسی می‌کند و تلاش دارد مواد مشابه آن را برای کاربردهای قابل‌توسعه و عملی طراحی کند. به گفته او، پژوهش جدید می‌تواند نمونه‌ای اولیه از یک مسیر تازه برای طراحی مواد و پوشش‌های محافظ باشد.
عمر فرها، استاد شیمی دانشگاه نورث‌وسترن و دیگر نویسنده مسئول این مطالعه، نیز پیش از این روی چارچوب‌های فلزی-آلی کاتالیستی یا MOF کار کرده بود؛ موادی که قابلیت بالایی در جذب و پردازش عوامل شیمیایی خطرناک دارند. در پژوهش جدید، این تجربه با ویژگی‌های مواد الهام‌گرفته از ملانین ترکیب شده است.
یکی از مزیت‌های مورد توجه در این رویکرد، قابلیت اتصال نانوماده به الیاف و پارچه‌هاست. از آنجا که ملانین به‌طور طبیعی یک رنگدانه است و خاصیت چسبندگی نیز دارد، می‌توان از آن در فرایند رنگ‌آمیزی و پوشش‌دهی مواد مختلف استفاده کرد. به این ترتیب، نانوماده مورد نظر می‌تواند مستقیماً به بخشی از پارچه، ماسک یا سایر تجهیزات محافظتی تبدیل شود، نه اینکه الزاماً به‌عنوان یک قطعه جداگانه روی تجهیزات قرار گیرد.
پژوهشگران بر این باورند که در صورت توسعه بیشتر این فناوری، می‌توان از آن برای تولید لباس‌ها و تجهیزات محافظتی افرادی استفاده کرد که به‌طور روزمره با مواد شیمیایی خطرناک سروکار دارند. کشاورزان و کارکنانی که با آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها کار می‌کنند، از جمله گروه‌هایی هستند که می‌توانند از چنین فناوری‌هایی بهره ببرند. همچنین استفاده از این مواد در لباس‌ها و تجهیزات حفاظتی نیروهای نظامی نیز به‌عنوان یکی از کاربردهای بالقوه مطرح شده است.
حتی در سناریویی که فرد به‌طور ناخواسته در معرض یک ماده شیمیایی خطرناک قرار گیرد، پژوهشگران ایده استفاده از محلول حاوی این نانوماده را مطرح کرده‌اند؛ به‌گونه‌ای که بتوان ترکیب را با آب مخلوط کرد و روی لباس فرد اسپری کرد تا ماده شیمیایی پیش از آنکه آثار مخرب خود را نشان دهد، تا حدی غیرفعال شود.
با وجود این نتایج، فناوری ارائه‌شده هنوز در مرحله پژوهشی و اثبات مفهوم قرار دارد و برای تبدیل‌شدن به یک سامانه حفاظتی قابل‌استفاده در شرایط واقعی، به مطالعات و ارزیابی‌های بیشتری نیاز خواهد داشت. با این حال، ترکیب قابلیت جذب، کاتالیز شیمیایی، فعال‌شدن با آب و تسریع فرایند در حضور نور خورشید، چشم‌انداز جالبی برای طراحی نسل جدیدی از پوشش‌ها و تجهیزات محافظتی ایجاد کرده است.
نتایج این پژوهش در مجله ACS Nano منتشر شده است و می‌تواند مسیر تازه‌ای را برای استفاده از نانومواد زیست‌الهام در طراحی تجهیزات محافظتی در برابر ترکیبات شیمیایی خطرناک پیش روی پژوهشگران قرار دهد.