تصور کنید برای تولید یک ماده شیمیایی پرکاربرد، بهجای فرایندهای صنعتی پرانرژی و سامانههای پیچیده کاتالیستی، از نور خورشید، اکسیژن موجود در هوا و آب استفاده شود. این ایده اکنون در قالب یک سامانه نانومقیاس توسط گروهی از پژوهشگران به مرحله آزمایش رسیده است.
گروهی به سرپرستی دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون در آمریکا، به همراه پژوهشگرانی از مرکز نوآوری علوم فوتون ژاپن و دانشگاه توهوکو، مادهای هیبریدی طراحی کردهاند که میتواند انرژی نور را برای انجام یک واکنش شیمیایی به کار گیرد و از اکسیژن و آب، هیدروژن پراکسید (H₂O₂) تولید کند.
نتایج این پژوهش در مجله معتبر Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.
هیدروژن پراکسید مادهای آشنا برای بسیاری از کاربردهای روزمره و صنعتی است. این ترکیب در ضدعفونی، سفیدکنندگی و فرایندهای مختلف تولیدی و پزشکی استفاده میشود. بااینحال، تولید صنعتی آن به فرایندهایی نیاز دارد که میتوانند پرهزینه و انرژیبر باشند.
پژوهشگران در مطالعه جدید تلاش کردهاند رویکردی متفاوت ارائه دهند: استفاده از نانومعماری (Nanoarchitectonics) برای ساخت یک سامانه هیبریدی که بتواند با استفاده از منابع فراوان و شرایط نسبتاً ملایم، واکنش تولید هیدروژن پراکسید را پیش ببرد.
نانومعماری به معنای ساخت مواد و سامانههای عملکردی با کنار هم قرار دادن اجزای بسیار کوچک در مقیاس نانو و ایجاد یک معماری مشخص از آنهاست. این رویکرد در بسیاری از موارد از سازوکارهای موجود در سامانههای زنده الهام میگیرد و هدف آن تنها ساخت یک ماده جدید نیست، بلکه تنظیم دقیق نحوه قرارگیری اجزا برای ایجاد یک عملکرد مشخص است.
یک «پنل خورشیدی» زیستی در مقیاس نانو
ماده جدید از ورقههای نانومقیاس لایهای تشکیل شده است که ضخامت آنها حدود ۲۰۰ نانومتر است؛ یعنی تقریباً ۵۰۰ برابر نازکتر از قطر یک تار موی انسان.
این ساختار از ترکیب دو جزء اصلی تشکیل شده است. بخش نخست، اکسیکلرید بیسموت است؛ یک ماده نیمهرسانای مصنوعی که میتواند در واکنشهای شیمیایی نقش کاتالیستی داشته باشد. بخش دوم، تکههایی از یک غشای بنفش طبیعی است که از میکروارگانیسمهای موسوم به آرکیها یا باستانیان، بهویژه گونههای سازگار با محیطهای بسیار شور، به دست میآید.
این غشای بنفش ویژگی مهمی دارد: میتواند نور را جذب کند.
پژوهشگران از همین قابلیت برای ایجاد یک نوع سامانه جذبکننده نور زیستی درون ساختار نانومقیاس استفاده کردهاند. هنگامی که نور به ماده میتابد، غشای بنفش انرژی نور را جذب میکند و این انرژی به حرکت پروتونها و الکترونها در فصل مشترک میان غشای زیستی و نیمهرسانای اکسیکلرید بیسموت کمک میکند.
در مرحله بعد، این انتقال بار به نیمهرسانا امکان میدهد اکسیژن موجود در هوا و آب را وارد مسیر واکنش کند و در نهایت هیدروژن پراکسید تشکیل شود.
اما مهمترین نتیجه زمانی مشخص شد که عملکرد ماده هیبریدی با نیمهرسانای خالص مقایسه شد.
سامانه جدید توانست بیش از پنج برابر هیدروژن پراکسید بیشتری نسبت به نیمهرسانای تنها تولید کند.
این افزایش عملکرد نشان میدهد که ترکیب دو جزء صرفاً یک کنارهمگذاری ساده نبوده است. در واقع، نحوه طراحی و سازماندهی فصل مشترک میان بخش زیستی و نیمهرسانا نقش اساسی در انتقال بار و هدایت واکنش شیمیایی داشته است.
النا روژکووا (Elena Rozhkova)، دانشمند مرکز مواد نانومقیاس در آزمایشگاه ملی آرگون، میگوید این سامانه در شرایط محیطی و با استفاده از مواد نسبتاً ارزان و فراوان کار میکند؛ در حالی که انجام چنین واکنشی در مقیاس صنعتی بهصورت متعارف میتواند به انرژی زیاد و سامانههای کاتالیستی پیچیدهتری نیاز داشته باشد.
راز عملکرد در فصل مشترک است
یکی از نکات کلیدی این پژوهش آن است که پژوهشگران صرفاً دو ماده با قابلیتهای متفاوت را کنار یکدیگر قرار ندادهاند و انتظار نداشتهاند خودبهخود یک سامانه کارآمد شکل بگیرد.
اکسیکلرید بیسموت بهعنوان یک نیمهرسانا میتواند در واکنشهای کاتالیستی فعال باشد و غشای بنفش آرکیها نیز یک سامانه زیستی بسیار منظم و مقاوم برای جذب نور است. اما قرار دادن این دو ماده در کنار یکدیگر الزاماً به تولید هیدروژن پراکسید با بازده بالا منجر نمیشود.
فصل مشترک میان دو ماده همان جایی است که تفاوت ایجاد میکند.
پژوهشگران تلاش کردهاند این ناحیه را بهگونهای طراحی کنند که حرکت بارهای الکتریکی در آن به شکل مطلوب انجام شود و انرژی جذبشده از نور خورشید به جای هدررفتن، در مسیر واکنش شیمیایی موردنظر قرار گیرد.
در واقع، عملکرد نهایی سامانه بیشتر از آنکه فقط به خواص جداگانه هر یک از اجزا وابسته باشد، به نحوه تعامل آنها در مقیاس نانو مربوط است.
پژوهشگران برای ساخت و بررسی این ساختارهای نانولایهای از امکانات پیشرفته مرکز مواد نانومقیاس آرگون استفاده کردند. ابزارهای میکروسکوپی پیشرفته این مرکز امکان بررسی دقیق ساختار و ویژگیهای ماده هیبریدی را فراهم کرد.
یک واکنش، دو محصول ارزشمند
سامانه جدید یک ویژگی جالب دیگر نیز دارد. پژوهشگران تلاش کردهاند واکنش شیمیایی را بهگونهای طراحی کنند که در کنار تولید هیدروژن پراکسید، یک ماده اولیه صنعتی ارزانقیمت نیز به ترکیبات ارزشمندتری تبدیل شود.
در این فرایند، اتیلن گلیکول که یک ماده شیمیایی صنعتی نسبتاً ارزان است، به ترکیبات باارزشتری از جمله گلیکولآلدهید، گلیاکسال و اسید فرمیک تبدیل میشود.
به این ترتیب، سامانه هیبریدی تنها به تولید یک ماده شیمیایی محدود نمیشود، بلکه میتواند از بخش دیگری از واکنش نیز برای تولید مواد دارای ارزش افزوده استفاده کند.
این رویکرد میتواند در آینده برای طراحی فرایندهایی اهمیت داشته باشد که در آنها چند مسیر شیمیایی بهصورت همزمان به ارزش اقتصادی تبدیل میشوند. چنین سامانههایی میتوانند به کاهش مصرف انرژی و استفاده کارآمدتر از مواد اولیه کمک کنند، هرچند برای ارزیابی واقعی این مزایا در مقیاس صنعتی، مطالعات بیشتری لازم است.
نانومعماری در مسیر تولید مواد شیمیایی
پژوهشگران معتقدند رویکرد نانومعماری محدود به تولید هیدروژن پراکسید نیست. از دید آنها، ترکیب سامانههای زیستی با مواد غیرآلی و کنترل دقیق نحوه برهمکنش آنها میتواند برای طیف گستردهای از واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.
جینهیونگ جانگ (Jinhyeong Jang)، نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر پسادکتری آزمایشگاه ملی آرگون، نانومعماری را رویکردی انعطافپذیر برای مواجهه با چالشهای مختلف در حوزه مواد و شیمی میداند. از جمله کاربردهای بالقوه این رویکرد میتوان به تولید ترکیبات مورد استفاده در کودهای شیمیایی و اجزای سوختها اشاره کرد.
اهمیت این مطالعه را میتوان در یک تغییر رویکرد خلاصه کرد: بهجای طراحی یک کاتالیست صرفاً مصنوعی و تلاش برای افزایش عملکرد آن از طریق تغییر ترکیب شیمیایی، پژوهشگران از سامانههای زیستی موجود در طبیعت نیز الهام گرفتهاند و قابلیت آنها در جذب و انتقال انرژی را با ویژگیهای یک نیمهرسانا ترکیب کردهاند.
این ترکیب، نمونهای از حرکت فناوری نانو به سمت ساخت مواد هیبریدی زیستی-غیرآلی است؛ موادی که در آنها بخش زیستی و غیرزیستی هر کدام وظیفه مشخصی بر عهده دارند و فصل مشترک میان آنها برای دستیابی به عملکرد نهایی مهندسی میشود.
البته تولید بیش از پنج برابر هیدروژن پراکسید در مقایسه با نیمهرسانای تنها، بهمعنای آمادهبودن فناوری برای جایگزینی فرایندهای صنعتی فعلی نیست. مقیاس تولید، دوام ماده، بازده تبدیل انرژی خورشیدی، پایداری غشای زیستی، هزینه ساخت و عملکرد سامانه در دورههای طولانی از جمله عواملی هستند که باید پیش از رسیدن به کاربرد صنعتی بهدقت بررسی شوند.
با این حال، پژوهش حاضر نشان میدهد که نور خورشید، آب و اکسیژن هوا میتوانند با کمک یک معماری نانومقیاس هوشمند، به مواد شیمیایی ارزشمند تبدیل شوند. اگر این رویکرد در مقیاسهای بزرگتر نیز کارایی خود را حفظ کند، میتواند نمونهای جذاب از پیوند انرژی خورشیدی، زیستشناسی و فناوری نانو برای کاهش نیاز به فرایندهای شیمیایی پرانرژی باشد.
در نهایت، پیام اصلی این پژوهش شاید ساده باشد: برای ساخت مواد شیمیایی آینده، الزاماً به کارخانههایی با واکنشهای پیچیده و مصرف انرژی بالا نیاز نیست؛ گاهی کافی است سازوکارهای طبیعت را در مقیاس نانو بهتر بفهمیم و سپس آنها را با مهندسی مواد ترکیب کنیم.