قدرتمندترین هادی پروتون در سر کوسه

zoomit.ir - بابک قهرمانی: هدایت پروتون‌ها روشی از انتقال بار الکتریکی است که در آن به جای اینکه از جابجایی الکترون‌ها استفاده کنند، از انتقال پروتون‌ها بهره می‌برند. این نوع از هدایت بیشتر در ساخت پیل‌های سوختی کاربرد دارد. به تازگی ماده‌ای از بدن نوعی ماهی استخراج شده که به طور شگفت‌انگیزی دارای هدایت پروتون بالایی است و می‌تواند زمینه‌ساز تحول اساسی در این عرصه باشد.


یک ماده‌ی ژله‌ای شفاف در قسمت داخلی بدن حیوان وجود دارد و کمک می‌کند تا کوسه‌ها و دیگر حیوانات دریایی بتوانند سیگنال‌های الکتریکی طعمه‌ی خود را شناسایی کنند. با توجه به یک مطالعه جدید نشان داده شده است که این ژل دارای بالاترین هدایت پروتونی در میان مواد موجود در طبیعت است.

ژلی که اینجا مورد بحث است در اندامی با نام ampullae of Lorenzini یا (AoL) یافت می‌شود. این بخش در واقع آرایه‌ای از اندام‌های الکتروسنسوری در ماهی‌های غضروفی مثل کوسه‌ها، اسکیت و پرتوماهی هستند. در حالی که ماهیت ampullae of Lorenzini برای دانشمندان طی قرن‌های متمادی شناخته شده است، اما در این میان قابلیت هدایت الکتریکی قابل توجه این ماده‌ی ژل‌مانند در داخل بدن ماهی‌ها به عنوان یک شگفتی تازه کشف شده به شمار می‌رود. این تازگی به حدی است که کشف این موضوع حتی می‌تواند به کاربرد‌های جدید در حوزه‌ی فناوری برای ساخت مواد بیولوژیکی منجر شود.

مارکو رولاندی (Marco Rolandi) از دانشگاه واشنگتن که به عنوان دانشمند علم مواد و مهندسی برق فعالیت دارد و نیز یکی از اعضای گروه پژوهشی مرتبط با این تحقیق بوده است، در این باره می‌گوید:

مشاهده‌ی قابلیت هدایت بالای پروتون در این ژل بسیار هیجان‌انگیز است. امیدواریم که یافته‌های ما بتواند به مطالعات آینده در زمینه‌ی شناسایی ساختار الکتروسنسورهای ampullae of Lorenzini و همچنین ساختار کلی این اندام کمک کند. ساختار کلی این اندام به خودی خود بسیار استثنایی و شگفت‌انگیز به نظر می‌رسد.

AoL در بخش‌های سر و همچنین بخش زیرین پرده‌ی غضروفی ماهی‌های غضروفی قابل مشاهده است. این پرده به صورت منافذ کوچک روی سطح پوست در دسته‌ای از ماهی‌های غضروفی وجود دارد. شما می‌توانید در تصویر بالای این صفحه منفذهای مربوط به پرده‌ی غضروفی را روی پوست ماهی مشاهده کنید.

این منافذ سطحی با کانال‌هایی از ژله‌ی چسبناک و شفاف پر شده و به سلول‌های الکتروسنسوری متصل می‌شوند. این ژله به ماهی این امکان را می‌دهد تا بتواند میدان‌های ضعیف الکتریکی تولید شده توسط حیوانات دیگر را در دریا تشخیص دهد. توانایی ژل به حدی است که حتی سیگنال‌های ضعیف و ناچیز در محدوده‌ی ۵ نانوولت در هر سانتی‌متر را نیز می‌تواند تشخیص دهد.

محققان برای اندازه‌گیری میزان هدایت ژل، آن را از بدن ماهی‌های اسکیت و همچنین کوسه استخراج کردند. در حالی که محققان هنوز به طور کامل پی نبرده‌اند که ساختار و روش کار ژل مذکور چگونه است. اما روشن است که این ماده نقش مهمی را در روند کلی ایفا می‌کند. به هر حال نکته‌ی مهمی که در مورد این ژل وجود دارد مربوط به ظرفیت بسیار زیاد آن برای هدایت پروتون می‌شود. ظرفیت هدایت پروتونی به قدری زیاد است که تیم پژوهشی اعلام کرده‌اند، ظرفیت این ژل به عنوان بالاترین ظرفیت شناخته شده برای یک ماده‌ی بیولوژیک به شما می‌رود.

هدایت این ژل در ۱±۲ میلی‌زیمنس هر سانتی‌متر، تنها ۴۰ بار کمتر از هدایت پلیمر نافیون است. این پلیمر یکی از ماده‌های مصنوعی بوده که به خاطر خاصیت رسانایی بالایش شناخته شده است. هدایت پروتون در واقع شکلی از هدایت الکتریکی است که در آن یون‌های مثبت هیدروژن، حمل بار را انجام می‌دهند؛ برخلاف حالات عادی که این کار توسط الکترون صورت می‌گیرد. در حالی که الکترون‌ها در فلزات رسانا، مانند نقره و مس می‌توانند به خوبی بار الکتریکی را انتقال دهند، هدایت پروتون نیز یک فرایند مهم در تأمین انرژی فرایند فتوسنتز به شمار می‌رود و از سویی می‌تواند در آینده برای ایجاد باتری‌های بهتر و سلول‌های سوختی بهینه‌تر مورد استفاده قرار گیرد. جاسبرگر (Eric Josberger) یکی از پژوهشگران گروه در این مورد می‌گوید:

اولین باری که من میزان هدایت پروتون را از میان این ژل اندازه‌گیری کردم واقعا شگفت‌زده شدم. من به هیچ روی انتظار نداشتم که یک ماده‌ی طبیعی بتواند مقداری از قابلیت هدایت پروتونی را داشته باشند که ما با ساخت یک ماده‌ی مهندسی توانسته‌ایم به آن برسیم.
اکنون پرسشی که وجود دارد این است که چه عاملی باعث می‌شود این ماده بتواند تا آن اندازه از قابلیت هدایتی برسد؟ نویسندگان مقاله در ساینس ادونسس چنین توضیح می‌دهند:

نظر ما این است که ماده‌ای به نام کراتان سولفات وجود دارد که قبلا نیز در ژل AOL شناسایی شده بود و در اینجا نیز مورد تایید مجدد قرار می‌گیرد. ممکن است این ماده با توجه به داشتن گروه‌های سولفاتی، گروه‌های اسیدی و اهدا کنندگان پروتونی در خود بتواند به هدایت پروتونی بالای ژل AOL کمک کند.

این دانشمندان امیدوارند که مطالعه بیشتر ژل AOL به ما کمک خواهد کرد تا به یافته‌های بیشتری در مورد خواص قابل توجه آن ماده دست یابیم. آنها باور دارند که مواد طبیعی می‌توانند جایگاه خاص خود را در میان فناوری‌های جدید پیدا کنند و این امر مشروط به این است که نسخه‌های ساخته شده به روش شیمیایی این مواد بتوانند انتظارات لازم را برآورده کنند. شاید بتوان از این ماده‌ها برای ساخت نوعی از دستگاه‌های سنسور غیر متعارف استفاده کرد. جاسبرگر در مصاحبه با سارا کاپلان در واشنگتن پست چنین توضیح می‌دهد:

با توجه به اینکه نافیون ماده‌ای است که فراهم‌سازی آن بسیار با دقت انجام شده و از سویی فرایند ساختش هم بسیار دقیق است، برای ما بسیار جالب بود که مشاهده کنیم یک کوسه هم می‌تواند عملکردی بسیار مشابه با این ماده‌ی دست‌ساز را تنها با استفاده از یک ماده‌ی طبیعی داشته باشد.
وی همچنین اشاره کرد که ما هنوز نکات زیادی را پیرامون ژل و AoL نمی‌دانیم و باید کارهای زیادی در این مسیر انجام شود. رولاندی نیز در بخشی از گفته‌های خود اشاره کرد:

من همیشه می‌گویم، اگر شما تمام پاسخ‌ها را یافته باشید، دیگر عملا ما کاری برای انجام نخواهیم داشت. بنابراین ما به طور شگفت‌انگیزی همواره بیشتر از اینکه در حال یافتن پاسخ‌ها باشیم در واقع در حال ایجاد پرسش‌های بیشتری پیش رویمان هستیم.