مهمترین دستاوردهای علمی حوزه فناوری نانو در سال ۲۰۲۰

به گزارش روز چهارشنبه ستاد فناوری نانو، سایت پیمایشی (statnano) یک نظرسنجی را برای دریافت نظرات جامعه علم و فناوری نانو و رتبه‌بندی این ۱۰ دستاورد با هدف شناسایی اقدامات و دستاوردهای مهم و پیش‌بینی اثرات آتی آن‌ها، معرفی افراد و سازمان‌های فعال در رقم زدن این دستاوردها و معرفی آن‌ها به جامعه علم و فناوری فعال در فناوری نانو برگزار کرده است.

استت‌نانو این موضوعات را از بین دستاوردهای علمی سال ۲۰۲۰ منتشرشده در مقالات معتبر علمی دنیا، توسعه فناوری یا محصول جدید و تاثیرگذار، پروژه‌های بزرگ یا برنامه جدید با اثرات آتی چشمگیر و حتی تصویب قانون و مقررات تاثیرگذار در این سال انتخاب کرده است.

با بررسی و کارشناسی درنهایت ۱۰ موضوع مختلف از منابع علمی معتبر و شناخته شده انتخاب شدند.

در انتخاب این موضوعات سعی شده تا ترجیحا از یک حوزه یا زمینه علمی نباشند. به‌عنوان‌ مثال با اینکه در سال ۲۰۲۰ دنیا تحت تاثیر پاندمی ویروس کرونا و راه‌های مبارزه با آن بود چهار گزینه از ۱۰ گزینه انتخاب‌شده به این حوزه تعلق دارند و سعی شده تا حد ممکن مطالعات بنیادی، کاربردی، تولید فناوری و … در انتخاب نهایی، گزینه‌ای داشته باشند.

در این سایت، برای هر موضوع خلاصه‌ای شامل توضیح مختصر این دستاورد، اهمیت و پتانسیل کاربردی آن، دانشگاه یا مرکز تحقیقاتی دخیل در آن به همراه لینک منبع برای مطالعه بیشتر، آماده و ارائه شده است.

تشخیص آنتی‌بادی‌های COVID-۱۹ در ۱۰ ثانیه با کمک فناوری چاپ سه‌بعدی جت ائروسل

محققان دانشگاه کارنگی ملون یافته‌های خود در ساخت یک پلتفرم زیست‌حسگری مبتنی بر نانومواد پیشرفته را در مجله Advanced Materials گزارش کردند که در عرض چند ثانیه آنتی‌بادی‌های اختصاصی برای SARS-CoV-۲، ویروس مسئول بیماری همه‌گیر COVID-۱۹، را تشخیص می‌دهد.

علاوه بر تشخیص، این سیستم به اندازه‌گیری کمی و دقیق پاسخ ایمنی بیمار نسبت به واکسن‌های جدید کمک خواهد کرد. این پلتفرم آزمایشی، حضور دو آنتی‌بادی مهم ویروس، یکی پروتئین Spike S۱ و دیگری ناحیه اتصال گیرنده [۱](RBD) به سلول را در یک قطره بسیار کوچک خون (حدود ۵ میکرولیتر) شناسایی می‌کند و نتایج آن بلافاصله از طریق یک نرم‌افزار روی گوشی همراه قبال دریافت است.

در ساخت این حسگر از فناوری چاپ سه‌بعدی جت آئروسل استفاده شده است. الکترودهای کوچک و ارزان میکروپیلار طلا در مقیاس نانو با استفاده از قطرات آئروسل ایجاد شده و به‌صورت تف‌جوشی [۲] حرارتی متصل می‌شوند.

تولید نانولوله‌های کربنی با استفاده از دی اکسید کربن هوا

یک فرآیند ساخت جدید که توسط شرکت  SkyNano توسعه یافته است، به‌طور قابل توجهی هزینه‌های تولید نانولوله‌های کربنی را کاهش می‌دهد و درنتیجه نانولوله‌های کربنی تک جداره تولید می‌شود که قیمت آن با سایر ساختارهای معمولی کربن قابل رقابت است. این کاهش هزینه از طریق یک فرآیند جدید حاصل شده که در آن دی‌اکسید کربن مضر از محیط گرفته شده و به‌صورت نانولوله‌های کربنی تک‌جداره جامد و پایدار جمع‌آوری و ذخیره می‌شود.

ازآنجاکه نانولوله‌های کربنی در صورت جایگزینی با ساختارهای کربنی معمول، منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی و CO۲ می‌شوند، این نوآوری می‌تواند تاثیرات واقعا چشمگیر و پایداری داشته باشد.

ایجاد منفاذی در مقیاس اتمی: حوزه جدیدی در علم فیزیک و مواد

دو مطالعه که در سال ۲۰۲۰ در مجلات ACS Nano و Science Advances منتشر شدند نحوه ساخت مواد با منافذ منفرد به اندازه یک اتم را نشان می‌دهند که می‌توانند برای فیلتراسیون مایع و گاز استفاده شوند.

اولین مطالعه خواص حمل و نقل یونی این منافذ را نشان می‌دهد که در تصفیه آب و نمک‌زدایی و همچنین ایجاد منافذ و کانال‌های یونی در زیست‌شناسی کاربرد دارند. مطالعه دوم نشان می‌دهد که چگونه گاز هلیوم از طریق این منافذ جریان می‌یابد. این محققان در ساخت این مواد نازک اتمی و تجهیزاتی که دارای نانوحفره هستند مهارت دارند. آن‌ها با استفاده از یک رویکرد سیستماتیک برای آزمایش و اصلاح فرآیند ساخت خود، توانستند روش خود را اصلاح کرده و نمونه اولیه‌ای بسازند که می‌تواند در شرایط واقعی‌تر آزمایش شود.

این دستاورد کاربردهای بالقوه گسترده‌ای دارد که نمک‌زدایی آب، برداشت و ذخیره‌سازی انرژی و اندازه‌گیری مولکول‌های کوچک مانند هورمون‌ها و داروسازی را شامل می‌شود.

نانوذرات جدیدی که می توانند سلول‌های سرطانی را به طور موثر و انتخابی از بین ببرند

محققان گروه شیمی در LMU در مقاله‌ای در مجله معتبر Chem از سنتز نانوذرات آمورف جدید تشکیل‌شده از کلسیم و سیترات و کپسوله شده در یک لایه لیپیدی خبر دادند که قادر به شکستن موانع جذب و از بین بردن سلول‌های توموری به روشی هدفمند است.

فسفات کلسیم و سیترات در تنظیم بسیاری از مسیرهای سیگنال‌دهی سلولی نقش دارند. ازاین‌رو، برای جلوگیری از ایجاد اختلال در این مسیرها، سطح این مواد موجود در سیتوپلاسم به‌شدت کنترل می‌شود. نانوذرات توصیف‌شده در مطالعه جدید قادر به دور زدن این کنترل‌های نظارتی هستند.

این ذرات به‌طور انتخابی کشنده هستند و سلول‌های سرطانی را هدف قرار می‌دهند. اما سلول‌های سالم را، که این ذرات را نیز جذب کرده‌اند، بدون آسیب رها می‌کنند.

خنک‌کننده‌های شفاف ترموالکتریک الکترونی: کوچکترین یخچال جهان

گروهی به سرپرستی استاد فیزیک UCLA موفق به ایجاد خنک‌کننده‌های ترموالکتریک با ضخامت تنها ۱۰۰ نانومتر شدند و روش ابتکاری جدیدی را برای اندازه‌گیری عملکرد خنک‌کنندگی آن‌ها ابداع کردند.

این دستگاه‌ها توسط قراردادن دو نیمه‌هادی متفاوت بین صفحات فلزی ساخته شده و به دو روش کار می‌کنند. وقتی گرما به آن‌ها اعمال می‌شود، یک طرف داغ شده و طرف دیگر خنک می‌ماند که از این اختلاف دما می‌توان برای تولید برق استفاده کرد. وقتی یک جریان الکتریکی به دستگاه وارد شود، یک طرف آن داغ شده و طرف دیگر آن سرد می‌ماند و این امکان را فراهم می‌کند که به‌عنوان کولر یا یخچال عمل کند.

این فناوری در صورت افزایش مقیاس‌ تولید ممکن است جایگزین سیستم فعلی فشرده‌سازی بخار در یخچال‌ها شود. کاربرد دیگر این فناوری در خنک کردن کامپیوترها و تجهیزات الکترونی در مقیاس کوچک است.

تشخیص فوری COVID-۱۹ به کمک حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی

دکتر عبدالاحد از آزمایشگاه ادوات نانوبیوالکترونیک دانشگاه تهران و برنده جایزه پیامبر اکرم (مصطفی) ۲۰۱۹ در زمینه فناوری نانو، روش جدید و پتنت شده‌ای (US ۲۰۱۸ ۰۲۹۹۴۰۱ A۱) را برای اندازه‌گیری الکتروشیمیایی گونه‌های اکسیژنی فعال (ROS/H۲O۲) ابداع کرد که الکترود آن با نانولوله‌های کربنی چند جداره اصلاح شده است.

در این تحقیق، آن‌ها نشان دادند که چگونه می‌توان از ROS برای تشخیص بیماری‌های ریوی استفاده کرد. در هنگام ابتلا به ویروس کرونا مقدار ROS در نمونه خلط بیمار، حتی وقتی علائم بیماری هنوز نمایان نشده است، تغییر می‌کند و حسگر از این شاخص برای تشخیص COVID-۱۹ استفاده می‌کند.

این پروژه در مرحله تجاری‌سازی است و تا ژوئن سال ۲۰۲۰، روی بیش از ۶۰۰ بیمار در چهار بیمارستان ایران آزمایش شد و تا ۹۵ درصد جواب درست داد. در آنفلوانزای فصلی که گاهی اوقات با COVID-۱۹ اشتباه گرفته می‌شود، سطح ROS (H۲O۲) در بیمار کاهش می‌یابد. بنابراین، با توجه به این تفاوت در مکانیسم عفونت آنفلوانزا و همچنین وقوع تعداد کم بیماری‌های تنفسی حاد متداول در فصول گرم، این حسگر این قابلیت را دارد که موارد COVID-۱۹ را در ۳۰ ثانیه تشخیص دهد. اهمیت این روش، در غربالگری اولیه و سریع افراد مشکوک به کرونا است که در همه‌گیری کرونا از روش تب‌سنجی برای این منظور استفاده می‌شود.

نانوبادی به‌عنوان سلاحی قدرتمند در درمان تشخیص COVID-۱۹

نانوبادی‌ها آنتی‌بادی‌هایی هستند که در خانواده شترها یافت شده و بسیار کوچک‌تر از آنتی‌بادی‌های انسانی هستند. پایداری بالا، ساختار کوچک و اختصاصی بودن، آن‌ها را برای تخلیص و تثبیت پروتئین‌ها و ساختارهای پروتئینی قبل از تصویربرداری ایده‌آل می‌کند.

نانوبادی‌ها می‌توانند پروتئین Spike ویروسی را برای تصویربرداری با استفاده از روش‌های پیشرفته در مقیاس اتمی ازجمله میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) بهتر تثبیت کنند.

نانوبادی‌ها همچنین باعث اتصال RBD به هدف خود شده و به محققان در درک بهتر رفتار آن در بدن و نحوه تعامل آن با داروهای جدید کمک می‌کنند. به دلیل همین اهمیت، گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در سراسر جهان روی این موضوع تمرکز کرده‌اند.

در مطالعه‌ای که در مجله Biomolecular Structure and Dynamics منتشر شده، از نانوبادی‌ها در تشخیص و درمان بیماری COVID-۱۹ استفاده شده است. مطالعه حاضر به تلاش برای تولید آنتی‌بادی (Nbs) یا VHHs علیه SARS-CoV-۲ می‌پردازد که یک کلاس جدید از پروتئین‌ها بر اساس قطعات آنتی‌بادی تنها با یک دامنه است.

این‌ها دارای کوچک‌ترین دامنه اتصال آنتی‌ژن دست‌نخورده هستند (حدود ۱۵ کیلو دالتون) و طول آن‌ها فقط حدود ۱۱۰ جز است. گروهی دیگر از محققان شرکت Protein Production UK نانوبادی‌های جدید سنتز و استخراج کردند که تمایل زیادی به پروتئین spike ویروس کرونا دارند.

همچنین (The National Health Institute (INS با استفاده از فناوری نوآورانه مبتنی بر نانو آنتی‌بادی‌های نوترکیب لامای پرویی، اقدام به درمان COVID-۱۹ کردند. در این پروژه، با حمایت مالی صندوق ملی توسعه نوآوری‌های علمی و فناوری (Fondecyt)، از فناوری نانو آنتی‌بادی برای تولید آنتی‌بادی‌های مشتق شده از این شترها برای خنثی‌سازی ویروس کرونا (SARS-CoV-۲) در شرایط آزمایشگاهی و در یک حیوان استفاده می‌شود.

پیش بینی ساختار و دینامیک نانوذرات توسط Machin Learning

محققان مرکز علوم نانو و دانشکده فناوری اطلاعات در دانشگاه Jyväskylä فنلاند نشان دادند که روش‌های جدید distance-based machine learning قادر به پیش‌بینی ساختارها و دینامیک اتمی نانوذرات هستند. روش جدید به‌طور قابل توجهی سریع‌تر از روش‌های شبیه‌سازی سنتی است که برای تحقیقات نانوذرات استفاده می‌شوند و اکتشافات کارآمدتر برهمکنش ذره-ذره و عاملدار شدن نانوذرات را در محیط آن‌ها تسهیل می‌کند. پتانسیل این سیستم یک کمیت بنیادی در علوم محاسبات نانو است که امکان ارزیابی کمی ثبات سیستم، میزان واکنش‌های شیمیایی و قدرت پیوندهای بین اتمی را فراهم می‌کند.

واکسن mRNA کپسوله شده توسط نانوذرات لیپیدی (LNP) بر علیه SARS-CoV-۲

داروهای mRNA برای هدایت سلول‌های بدن به ساخت پروتئینی خاص طراحی می‌شوند که سپس منجر به پاسخ سیستم ایمنی بدن می‌شود.

در فناوری mRNA معمولاً از روش‌های رهاسازی دارو بر پایه نانوذرات استفاده می‌شود. در این فناوری ابتدا بخش RNA مورد نیاز برای تهیه واکسن سنتز شده و سپس در نانوذرات چربی (LNP) جاسازی می‌شود.

واکسن شرکت مدرنا یک واکسن مبتنی بر mRNA علیه SARS-CoV-۲ که پروتئین Spike (S) هدف قرار داده است. واکسن‌های COVID-۱۹ شرکت فایزر هم از mRNA کپسوله شده درون نانوذره لیپید استفاده کرده که به آن اجازه می‌دهد وارد سلول شود.

واکسن B۱، mRNA بخشی از پروتئین موجود در ویروس SARS-CoV-۲ که به گیرنده سلول‌های انسانی متصل می‌شود کدگذاری می‌کند تا بتواند به آن‌ها وارد شود. واکسن B۲ تمام این پروتئین را که به‌عنوان پروتئین Spike شناخته می‌شود می‌سازد.

تولید الکتریسیته از رطوبت محیط با استفاده از نانوسیم های پروتئینی

دانشمندان دانشگاه ماساچوست آمهرست ابزاری تولید کرده‌اند که از پروتئین طبیعی برای ایجاد الکتریسیته از رطوبت هوا استفاده می‌کند، فناوری جدیدی که به گفته آن‌ها می‌تواند پیامدهای قابل توجهی در آینده انرژی‌های تجدیدپذیر، تغییرات آب و هوا و پزشکی داشته باشد.

آن‌ها دستگاهی را ساختند که به آن ژنراتور “Air-gen” یا مجهز به هوا می‌گویند و دارای نانوسیم‌های پروتئینی رسانای الکتریکی است که توسط میکروب Geobacter به روش بیوسنتز تولید می‌شوند. Air-gen الکترودها را به نانوسیم‌های پروتئینی متصل می‌کند به ترتیبی که منجر تولید جریان الکتریکی از بخار آب موجود در هوا می‌شود.

این ماده می‌تواند حتی در مناطقی با رطوبت بسیار کم مانند کویر نیز برق تولید کند. مزیت این روش نسبت به سایر اشکال انرژی‌های تجدیدپذیر مانند سل‌های خورشیدی و بادی دارای این است که برخلاف آن‌ها برای تولید انرژی به عامل ثانویه مثل نور خورشید یا باد نیازی ندارد. نتیجه این تحقیقات در مجله Nature منتشر شد.