برگ مصنوعی نانویی، قلب را تنها با نور به تپش واداشت

مجموعه: گزارشهای علمی

به گزارش علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، دانشمندان آمریکایی با الهام از یکی از شگفت‌انگیزترین فرآیندهای طبیعی، یعنی فتوسنتز، موفق به توسعه یک «برگ مصنوعی» شده‌اند که می‌تواند تنها با استفاده از نور، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تحریک بافت‌های زنده را تولید کند.

این فناوری نوآورانه که بدون نیاز به باتری یا سیم‌کشی خارجی کار می‌کند، علاوه بر ایجاد افق‌های تازه در درمان بیماری‌های قلبی و عصبی، می‌تواند زمینه‌ساز نسل جدیدی از رابط‌های هوشمند میان انسان و رایانه و حسگرهای نوری پیشرفته باشد.

این دستاورد که حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه شیکاگو، دانشگاه ملی سئول، آزمایشگاه ملی بروکهاون و آزمایشگاه ملی آرگون است، می‌تواند فصل تازه‌ای در توسعه تجهیزات پزشکی کاشتنی، درمان بیماری‌های عصبی و طراحی رابط‌های نوین انسان و ماشین رقم بزند.

پژوهشگران این پروژه که نتایج آن در نشریه معتبر Nature Photonics منتشر شده است، از ساختاری الهام گرفته‌اند که در غشای تیلاکوئیدی گیاهان وجود دارد؛ جایی که انرژی نور خورشید با بازدهی بالا به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. با وجود دهه‌ها تلاش برای ساخت سامانه‌های مصنوعی برداشت نور، فناوری‌های الکترونیکی موجود هنوز نتوانسته‌اند به کارایی سیستم‌های طبیعی نزدیک شوند.

برای غلبه بر این محدودیت، پژوهشگران به سراغ فناوری نانوپلاسمونیک رفتند؛ شاخه‌ای از فناوری نانو که از نانوساختارهای فلزی برای جذب، متمرکز کردن و تبدیل انرژی نور به حامل‌های بار الکتریکی استفاده می‌کند. در این فناوری، نانوذرات فلزی مانند طلا قادرند نور را به شکلی بسیار مؤثر جذب کرده و الکترون‌های پرانرژی تولید کنند؛ الکترون‌هایی که می‌توانند فرآیندهای الکتریکی و شیمیایی را در مقیاس نانو کنترل کنند.

کلید موفقیت این پژوهش، طراحی معماری جدیدی برای این نانوساختارها بود. پژوهشگران ذره‌ای از طلا را با نیم‌کره‌ای از دی‌اکسید تیتانیوم پوشاندند و در زیر آن نیز یک لایه نازک طلا قرار دادند. این لایه طلایی همانند یک آینه عمل می‌کند و نور عبوری را بازتاب می‌دهد تا انرژی نوری درون ساختار به دام افتاده و چندین بار تقویت شود. نتیجه این طراحی، افزایش چشمگیر توان تولید بار الکتریکی و ذخیره انرژی در مقایسه با سامانه‌های پیشین بود.

به گفته محققان، بدون این لایه بازتابنده، بخش عمده نور از ساختار عبور کرده و هدر می‌رود، اما حضور آن باعث می‌شود انرژی نور در داخل نانوساختار متمرکز شده و کارایی دستگاه به میزان قابل توجهی افزایش یابد. این پیشرفت، امکان استفاده عملی از نانوپلاسمونیک را در تجهیزات زیست‌الکترونیکی فراهم کرده است.

پس از ساخت این سامانه در مرکز نانوساخت دانشگاه شیکاگو، پژوهشگران عملکرد آن را در مدل حیوانی مورد آزمایش قرار دادند. آنها قطعه‌ای از این «برگ مصنوعی» را روی قلب موش آزمایشگاهی قرار دادند و تنها با تاباندن نور توانستند ضربان قلب را کنترل و تنظیم کنند. در آزمایشی دیگر، این سامانه روی عصب سیاتیک حیوان نصب شد و تابش نور باعث تحریک عصب و ایجاد پاسخ عصبی شد؛ نتیجه‌ای که نشان می‌دهد این فناوری می‌تواند در آینده برای درمان دردهای مزمن عصبی و اختلالات سیستم عصبی مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از ویژگی‌های برجسته این سامانه، عملکرد کاملاً بی‌سیم آن است. برخلاف بسیاری از ایمپلنت‌های پزشکی که برای تأمین انرژی به باتری یا سیم نیاز دارند، این فناوری مستقیماً انرژی مورد نیاز خود را از نور دریافت می‌کند. همین ویژگی می‌تواند پیچیدگی تجهیزات کاشتنی را کاهش داده، خطر عفونت را کم کند و عمر مفید آنها را افزایش دهد.

بررسی‌های انجام‌شده نشان داد این سامانه قادر است چگالی جریان الکتریکی در حد میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تولید کند؛ مقداری که برای سامانه‌های بی‌سیم بسیار قابل توجه است و حتی با بسیاری از مواد نیمه‌رسانای رایج رقابت می‌کند یا از آنها فراتر می‌رود. پژوهشگران اعلام کرده‌اند تاکنون نمونه مشابهی از یک سامانه نانوپلاسمونیک با چنین عملکردی در کاربردهای زیستی گزارش نشده است.

اما قابلیت‌های این فناوری به پزشکی محدود نمی‌شود. تیم تحقیقاتی با استفاده از همین ماده، سامانه‌ای برای تشخیص و پردازش اطلاعات نوری نیز طراحی کرده است. این سامانه برخلاف نمایشگرهای لمسی رایج، به جای تماس انگشت، به تابش نور واکنش نشان می‌دهد. در آزمایش‌های انجام‌شده، پژوهشگران با استفاده از یک اشاره‌گر لیزری الگوهای مختلفی را روی این سامانه ایجاد کردند و سپس یک الگوریتم هوش مصنوعی موفق شد این الگوها را بازسازی و تفسیر کند.

به اعتقاد پژوهشگران، این فناوری می‌تواند نسل تازه‌ای از رابط‌های انسان و رایانه را به وجود آورد؛ رابط‌هایی که اطلاعات را نه از طریق لمس، بلکه با استفاده از نور منتقل می‌کنند. حتی امکان استفاده از طول موج‌های نامرئی نیز وجود دارد که امنیت انتقال اطلاعات را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد. در چنین سامانه‌هایی، هوش مصنوعی وظیفه رمزگشایی و تفسیر داده‌های نوری را بر عهده خواهد داشت.

تیم پژوهشی اکنون در حال توسعه نسخه‌ای کاملاً کاشتنی از این فناوری است که بتواند دست‌کم یک سال بدون نیاز به منبع انرژی خارجی یا تعویض قطعات در بدن فعالیت کند. همچنین برنامه‌هایی برای استفاده از این معماری در ساخت حسگرهای کوانتومی نسل آینده نیز در دست اجرا است.

پژوهشگران تأکید می‌کنند موفقیت این پروژه نتیجه همکاری میان متخصصان حوزه‌های مختلف از جمله شیمی، مهندسی مواد، زیست‌فیزیک، بیوشیمی، فناوری نانو و مکانیک کوانتومی بوده است. به باور آنها، توسعه فناوری‌های پیچیده آینده بیش از هر زمان دیگری به همکاری میان رشته‌های مختلف علمی وابسته خواهد بود؛ رویکردی که می‌تواند مسیر خلق نسل تازه‌ای از تجهیزات هوشمند پزشکی و سامانه‌های الکترونیکی الهام‌گرفته از طبیعت را هموار سازد.