ابداع نانومواد منحصر به فرد با الهام از طبیعت

به گزارش نانومگزین، ابداع محصولاتی مانند چسب پارچه‌ای، هواپیما و سونار، با الهام از طبیعت صورت گرفته است. در ابداع چسب پارچه‌ای، از توانایی گیاه بابا آدم برای چسبیدن به لباس تقلید شده است. پرندگان در حال پرواز، انگیزه ابداع هواپیماها بودند. خفاش‌ها از پژواک برای جهت‌یابی استفاده می‌کنند و توانستند الهام‌بخشی برای ابداع سونار باشند.

"چون لانگ چن"(Chun-Long Chen)، پژوهشگر "آزمایشگاه ملی شمال‌غربی پاسیفیک"(PNNL) در آمریکا نیز به نمونه‌های موجود در طبیعت علاقه نشان داده است اما کار خود را در مقیاس بزرگتری انجام می‌دهد. او از ساختارهای مولکولی موجود در طبیعت به ویژه پپتیدها الهام گرفته و مولکول‌هایی موسوم به "پپتوئید"(Peptoid) ابداع کرده است که بسیار قوی‌تر از ساختارهای طبیعی هستند. هدف چن، ابداع نانوموادی با عملکرد منحصر به فرد است.

این نانومواد الهام گرفته شده از طبیعت، برای کاربردهای گوناگون از دارورسانی گرفته تا فناوری "فتوولتاییک"(Photovoltaics)، نویدبخش هستند. چن به همراه چند تن از کارآموزان خود، اخیرا مقاله‌ای را در مورد نانوموادی که با استفاده از پلیمرهای مصنوعی ساخته شده‌اند، ارائه داده است. آنها امیدوارند که با کمک این مقاله، پژوهشگران سایر حوزه‌ها را تشویق کنند تا به بررسی در مورد طراحی نانومواد با الهام از طبیعت بپردازند که کاربردهای پیشرفته‌ای در زمینه انرژی، زیست‌پزشکی و محیط زیست دارند.

"رونالد زاکرمن"(Ronald Zuckermann)، از پژوهشگران این پروژه گفت: من از دستاوردهای چن در این زمینه، بسیار الهام گرفته‌ام و معتقدم که او در مرحله ابتدایی کشف کاربردهای جدید نانوساختارهای پپتوئیدی است که با الهام از طبیعت ساخته شده‌اند. پژوهش او، عصر جدیدی از علم نانو را پدید می‌آورد که ما در آن می‌توانیم نانومواد مصنوعی را با دقت اتمی برای حل مشکلات مربوط به تشخیص مولکولی، کاتالیز و درمان، دستکاری کنیم.

کاربردهای بزرگ مواد کوچک

پژوهش چن، بر توسعه پپتوئیدها با تقلید از پروتئین‌های طبیعی متمرکز است. ساختارهایی که توسط این مولکول‌ها تشکیل می‌شوند، ویژگی‌هایی بیشتر از مولکول‌های انفرادی از خود نشان می‌دهند. به عنوان نمونه، پروتئین‌ها ساختار چندلایه دارند. آمینواسیدها به یکدیگر متصل می‌شوند تا مولکول‌های پپتید را تشکیل دهند که پروتئین را می‌سازند. پپتیدها تا می‌شوند تا یک ساختار سه بعدی را تشکیل دهند که امکان عملکرد پروتئین را فراهم می‌کند. در سطح بعد، چندین پروتئین می‌توانند با هم ترکیب شوند تا مجموعه‌هایی را برای عملکرد منحصر به فرد فراتر از توانایی‌های هر پروتئین تشکیل دهند.

چن گفت: ایجاد پلیمرهای مصنوعی که خود را در قالب نانوموادی مانند درشت‌مولکول‌های طبیعی سرهم‌بندی می‌کنند، بسیار هیجان‌انگیز است اما هنوز حوزه نسبتا جدیدی به شمار می‌رود. ما قصد داشتیم به واسطه این بررسی، برخی از پیشرفت‌های صورت گرفته برای سرهم‌بندی مولکولی این پلیمرهای مصنوعی را برجسته کنیم. همچنین، قصد داشتیم کاربردهای بالقوه موادی که خود را سرهم‌بندی می‌کنند، در زمینه زیست‌پزشکی و انرژی‌ تجدیدپذیر مورد بحث قرار دهیم.

احتمالات مربوط به این عملکردهای مختلف، بی‌پایان هستند. این مواد تاکنون در دارورسانی، سنجش مولکولی، درمان فتودینامیک، ضدعفونی کردن آب و موارد دیگر امیدوارکننده بوده‌اند.

چن ادامه داد: پروتئین‌ها، اطلاعات بسیاری را در بر دارند. توالی آمینواسید این پروتئین‌ها، ساختار و عملکرد آنها را در بدن ما تنظیم می‌کند. پپتوئیدی که ما ابداع کرده‌ایم، ایده استفاده از توالی‌ها در برنامه‌ریزی مولکول‌ها برای عملکردهای متفاوت را در پیش می‌گیرد.

وی افزود: ما می‌توانیم از پپتوئیدها به‌عنوان پلتفرمی از قطعات سازنده قابل برنامه‌ریزی استفاده کنیم و آنها را مانند لگوهایی جمع کنیم تا موادی با محتوای اطلاعاتی، قابلیت برنامه‌ریزی و پیش‌بینی بالا برای رفع نیازهای خود بسازیم. چالش پیش رو، به دست آوردن بینش برای این پیش‌بینی‌ها به واسطه بررسی دقیق موفقیت‌ها و شکست‌ها است.

ایجاد یک مسیر جدید برای نانومواد

نانوموادی که چن ابداع کرده است، بسیار غیرقابل پیش‌بینی هستند. ساخت موادی که می‌توانند عملکردهای مشخصی داشته باشند، دشوار است اما چن با غلبه بر چنین چالش‌هایی ناآشنا نیست. او هنگامی که دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد در "دانشگاه سان یات سن"(SYSU) چین بود، پژوهش در مورد طراحی و ساخت مولکول‌ها در ساختارهای فوق مولکولی را آغاز کرد. این کار توانست راه را برای کار او در مقطع دکترا هموار کند.

چن ادامه داد: آزمون و خطای زیادی نه تنها در ایجاد خود مولکول‌ها، بلکه اطمینان یافتن از این که آنها می‌توانند ساختارهای بزرگ‌تر مورد نظر ما را تشکیل دهند، وجود داشت.

چن و گروهش ابتدا تصمیم گرفتند تا مولکول‌هایی را برای کاربردهای زیست‌پزشکی مانند دارورسانی و تصویربرداری بیولوژیکی ابداع کنند. سپس آنها، پژوهش‌های خود را گسترش دادند و توانستند کاربردهای گسترده‌ای از جمله ضدعفونی کردن آب و پژوهش در مورد باتری را ارائه دهند.

این پژوهش، در مجله "Chemical Reviews" به چاپ رسید.