تبیان، دستیار زندگی

 اکتبر 2002- مجراهاي زيستي متعددي، يونها را در خلاف جهت گراديان غلظت پمپ مي‌کنند. هم اکنون مورد مشابهي در يک نانوروزنة­قيفي شکل مصنوعي به دست آمده است.

دو پژوهشگر با به حرکت وا داشتن نوسانات الکتريکي در يک راستا، يک مجراي نانومتري ايجاد کردهاند که به عنوان يک پمپ يوني عمل ميکند. آنها با استفاده از يک ميدان الکتريکي متغير با توان متوسط صفر، يونها را وادار به حرکت در خلاف جهت گراديان غلظت کردند.

نانوروزنههاي موجود بر روي يک غشاء پليمري به عنوان يک "ضامن حرارتي[3]" عمل ميکند؛ وسيلهاي که حرکت تصادفي را به حرکت در يک راستا تبديل مينمايد. اين نوع از وسايل حرارتي در زيست شناسي به عنوان مدلهاي بالقوة ايجاد حرکت يک سويه در مقياس مولکولي مطرح بودهاند؛ مثلاً توسط پروتئينهاي موتور. اگر چه اعتبار زيستي اين نمونه مورد سوال است، اما اکنون مکانيزم ضامن حرارتي کاملاً بر مبناي تئوري و آزمايش استوار است.

در نگاه اول، اين موضوع به خاطر مغايرت با محدوديتهاي ترموديناميکي بيهوده به نظر ميرسد اما اين روش اجازه ميدهد که امواج در فضاي نامتقارن ايجاد شوند. همين عدم تقارن است که حرکت يک جهته را ايجاد ميکند، به طوريکه ميتوان از يک حمام حرارتي، کار توليد نمود.

يک ضامن حرارتي از يک پتانسيل چرخ دندهاي استفاده ميکند، نوعي پتانسيل متغير که تمايل آن به يک جهت خاص از جهات ديگر بيشتر است. حرکت براوني ذره در چنين پتانسيلي دائما در جهت شيب کمتر اين دندانه صورت ميگيرد.

زوزانا سيوي از دانشگاه فناوري Silesian و آندرزيج فولينسکي از دانشگاه Jagiellonian، هر دو از لهستان، از چنين اصولي براي راندن يونها از دورن يک روزنه استفاده کردهاند. پمپ يوني نانوروزنه‌اي آنها داراي شکل نامتقارني است؛ قيفي که يک طرف آن که بر روي غشاء پليمري است، 500 نانومتر قطر دارد و قطر طرف ديگر آن فقط 2 نانومتر است.

اين شکل با حکاکي[4] يک طرفة يک نانوروزنهايجاد شده است که توسط عبور يک يون در اين پليمر به وجود آمده است. اين پژوهشگران ورقهاي از پليمر را با تعداد کمي از پرتوهاي پر انرژي يونهاي طلا بمباران کردند. به محض قطع پرتوافکني، آنها يون منفردي را روي طرف ديگر ورقه کشف کردند. اين محققين به منظور حکاکي يك طرفة مسير اين يون، از پيل الکتروشيميايي استفاده کردند.

آنها سپس اين غشاء را با استفاده از جريان برق مستقيم به منظور جداسازي دو محلول از کلريد پتاسيم مورد استفاده قرار دادند. با آنکه ميانگين زماني ميدان الکتريکي صفر بود، اما حتي هنگامي که غلظت الکتروليت در دو طرف غشاء باهم برابر بود جرياني از يونهاي پتاسيم از قسمت کم عرض به قسمت وسيعتر اين روزنه وجود داشت. اين جريان حتي هنگامي که غلظت در طرف عريضتر روزنه بيشتر بود وجود داشت، به طوري که فشاري در خلاف جهت جريان يونهاي پتاسيم ايجاد ميشد. به عبارت ديگر اين يونها در خلاف جهت غلظت در حال پمپ شدن بودند.

لذا اين پمپ به صورت انتقال غير همسو کار ميکند. احتمالاً پمپاژ يونها در خلاف جهت از يک مجراي قيفي شکل، براي ما غيرقابل قبول باشد. اين محققين نشان دادند که اين کار در جهت شيب ملايمتر پتانسيل دندهاي كه با اين مجرا ايجاد شده است صورت ميگيرد. اين پژوهشگران پي بردند که در صورت عريضتر شدن انتهاي باريک اين مجرا (حدود 15 نانومتر) و يا در صورتي که اين محلولها اسيدي‌تر از حالت عادي باشند (که تراکم بار روي ديواره‌هاي مجرا تغيير کند) يا در صورتي که فرکانس برق AC به حدود 1 هرتز افزايش يابد، عمل پمپاژ قطع ميشود.

به نظر ميرسد اين وسيله حداقل يك مشابه زيستي داشته باشد. اين مشابه آنزيم مجراي يوني Na+-K+-ATPase است که هنگام تحريک شدن يک ميدان الکتريکي متغير، يونهاي فلزي را در جهت معکوس پمپ ميکند. يک پمپ مصنوعي نانوروزنهاي در حدود هزار مرتبه بزرگتر از اين پمپ زيستي است، اما اين پژوهشگران احتمال ميدهند در صورتي که بتوان اين روزنه را کوچکتر کرد محدوده فرکانس عملياتي کاهش يابد.