ساخت فیلتر جدید نمک زدایی آب با الهام از مقاله آلن تورینگ
ریاضیات به‌کاررفته در یک مقاله‌ی برجسته که توسط آلن تورینگ، ریاضیدان انگلیسی نوشته شده است، برای ایجاد یک ساختار در مقیاس نانو برای نمک‌زدایی آب استفاده شد و طراحان آن می‌گویند که این ساختار بهتر از فیلترهایی کار می‌کند که در حال حاضر در بازار موجود هستند. امروزه عمدتا تورینگ با کارهای محاسباتی خود معروف است؛ اما در سال ۱۹۵۲ در مورد نحوه‌ی گسترش الگوهای تکراری در موجودات زنده، مقاله‌ای نوشت؛ از خطوط پوشش گورخر تا لکه‌های پوست گربه‌ی وحشی و حرکت چرخشی برگ گیاهان و کلا طبیعت موج‌دار با رنگ‌ها، بافت‌ها و اشکال تکراری توجه او را به خود جلب کرده بود. تورینگ این تکرارها را به گروهی از هورمون‌های مضاعف‌کننده‌ی مورفوژن‌ها مربوط می‌دانست.
آلن تورینگ در سال ۱۹۵۲ در مورد اساس شیمیایی مورفوژنسیس مقاله‌ای منتشر کرد
مورفوژن ماده‌ای است که توزیع غیر یکنواخت آن، الگوی توسعه‌ی بافت را طی فرایندی که مورفوژنسیس یا ایجاد الگو نامیده می‌شود، کنترل می‌کند. مورفوژنسیس یکی از فرایندهای اصلی بیولوژی است که موقعیت انواع مختلف سلول‌های تخصص‌یافته را در یک بافت مشخص می‌کند. درواقع مورفوژن مولکول سیگنال‌دهنده‌ای است که مستقیما روی سلول عمل می‌کند تا بر اساس میزان غلظت موضعی آن یک پاسخ سلولی خاص ایجاد شود. تفاوت در نحوه‌ی انتشار یک مورفوژن خاص در بافت یک موجود، توجیه‌کننده‌ی بسیاری از الگوهایی است که در دنیای طبیعی می‌بینیم.
هنوز مشخص نیست که آیا چنین فرایندهایی در طبیعت به‌فراوانی یافت می‌شوند یا نه؛ اما ۶ سال پیش پژوهشگران انگلیسی بر اساس شواهدی تجربی دریافتند که رگ‌های داخل دهان موش‌ها طبق مدل تورینگ توسعه پیدا کرده‌اند. اگرچه از دیدگاه بیولوژی سؤالاتی پیش می‌آید؛ اما ریاضیات با هورمون‌هایی که در بافت‌های زنده انتشار می‌یابند، محدود نمی‌شود. بر همین اساس پژوهشگران از این موضوع به‌عنوان نقطه‌ی آغاز سنتز نوع جدیدی از ماده استفاده کردند.
پلی‌آمید محصول واکنش بین تری مزوییل کلرید و پیپرازین است. تری مزوییل کلراید در محلول سریع‌تر از پیپرازین انتشار پیدا می‌کند؛ به‌طوری که هر دو معرف از قانون مورفوژن تورینگ پیروی می‌کنند. تنها مشکل جدی برای ساخت ساختار مورد نظر، حرکت سریع‌تر تری مزوییل کلراید بود. برای کم کردن سرعت آن هم پلی وینیل الکل به این ترکیب اضافه شد.
آن‌ها طی تجزیه‌وتحلیل خودشان با استفاده از میکروسکوپ اتمی، نشان دادند که این ماده شبکه‌ای از لوله‌های با مقیاس نانوی تجمع‌یافته در یک ساختار سه‌بعدی است؛ ساختاری که می‌تواند برای فیلتر کردن عالی باشد.
تصاویر زیر می‌تواند در تصور کردن دو نوع از این ساختار تورینگ مفید باشد، یکی حاصل مجموعه‌ای از نقطه‌ها و دیگری حاصل تجمع لوله‌های پرشمار است (اشاره به کار تان و همکاران در سال ۲۰۱۸).
این گروه برای تست فیلتر تورینگ خود چندین محلول آب شور را از این ماتریکس عبور دادند. نمک‌های درشت‌تری مانند سولفات منیزیم تماما حذف شدند؛ اما این فیلتر توانست فقط کمی بیش از نیمی از محتویات کلرید سدیم را از آب جدا کند. فرایندی که اکنون ما به آن نیاز داریم، نمک‌زدایی در مقیاس عظیم و با هزینه‌ی کم است؛ با این حال همین ساختار طراحی‌شده، از چیزی که در حال حاضر وجود دارد، بسیار بهتر است. پژوهشگران ادعا می‌کنند این ساختار که قادر به فیلتر کردن ۱۲۵ لیتر آب در هر ساعت است (با فشار پنج اتمسفری)، سه برابر کارآمدتر از دیگر فیلترهای آب در دسترس فعلی، خواهد بود.
این ابداع همچنین الهام‌بخش متخصصان مواد در دیگر حوزه‌ها خواهد بود تا آن‌ها هم به‌دنبال بررسی انواع مواد متخلخلی بروند که می‌تواند برای استفاده‌های دیگر مفید باشد؛ مانند ایجاد داربستی برای اندام‌های مهندسی‌شده‌ی بدن.
نتایج این پژوهش در ژورنال Science منتشر شد.
نظرات