بازیابی باتری‌های یون لیتیم قدیمی به باتری نو
دانشمندان دانشگاه فنی نانیانگ1 در سنگاپور2 روش جدیدی با استفاده از پوست میوه ارائه داده‌اند که استخراج و استفاده دوباره از فلزهای گرانبها به‌کاررفته در باتری‌های یون لیتیم مصرف‌شده را فراهم می‌کند.
این گروه ایده خود را با استفاده از پوست پرتقال اجرا کردند که فلزهای گرانبها را بهصورت کارآمد از ضایعات باتری بازیابی می‌کند. فلزهای بازیابی‌شده در ساخت باتری‌های جدیدی مورد استفاده قرار گرفت در حالی‌که حداقل پسماند را در پی داشت.
دانشمندان می‌گویند که رویکرد تبدیل پسماند به منابع آن‌ها، هم با پسماندهای مواد غذایی و هم با پسماندهای الکترونیکی مقابله می‌کند و توسعه اقتصاد چرخه‌ای3 با پسماند صفر را مورد پشتیبانی قرار می‌دهد. در نتیجه، از منابع برای بیشترین زمان ممکن استفاده می‌شود. بنا به برآوردها، سالانه 1/3 میلیارد تن پسماند غذایی و 50 میلیون تن پسماند الکترونیکی در سطح جهان تولید می‌شود.
به‌طور متداول، باتری‌های مصرف‌شده در گرمای شدید با دمایی بیش از 500 درجه سلسیوس قرار می‌گیرند تا فلزهای ارزشمند را از آن‌ها جدا کنند. این فرایند باعث انتشار گازهای سمی خطرناک می‌شود. روش‌های جایگزین که از محلول‌های اسیدی قوی یا محلول‌های اسیدی ضعیف‌تر همراه با هیدروژن-پراکسید استفاده می‌کنند، در حال بررسی هستند اما این روش‌ها آلاینده‌های ثانویه تولید می‌کنند که خطر تهدید سلامتی و ایمنی را به همراه دارند، یا به هیدروژن‌پراکسید که خطرناک و ناپایدار است متکی هستند.
به گفته پروفسور مدهوی4، فرایندهای فعلی بازیافت صنعتی زباله‌های الکترونیکی، هم مصرف انرژی زیادی دارند و هم آلاینده‌های زیانبار و ضایعات مایع منتشر می‌کنند که نیاز فوری به روش‌های سازگار با محیط‌زیست را با افزایش میزان زباله‌های الکترونیکی یادآور می‌شوند. این کار به کمک مواد زیست‌تخریب‌پذیر امکان‌پذیر بوده است.
او در ادامه می‌گوید: «این یافته‌ها براساس مجموعه کارهای موجود در آزمایشگاه ماست. این آزمایشگاه برای توسعه روش‌های سبزتر بازیافت زباله‌های الکترونیکی راه‌اندازی شده است و بخشی از طرح پردیس هوشمند دانشگاه است که هدف توسعه راه‌حل‌های پیشرفته فناورانه برای یک آینده پایدار را دنبال می‌کند.»
دالتون تِی5 استادیار دانشکده علوم و مهندسی مواد NTU و دانشکده علوم زیستی می‌گوید: «در کشوری مانند سنگاپور که منابع کمی دارد، فرایند استخراج فلزهای باارزش از انواع وسایل الکترونیک دور‌ریخته‌شده، بسیار ارزشمند است. ما با استفاده دوباره از فلزهای گرانبها نه‌تنها بر مشکل کاهش منابع، بلکه بر تجمع پسماندهای الکترونیکی و مواد غذایی نیز غلبه می‌کنیم که هر دو، بحران‌های جهانی در حال رشد هستند.»
از آنجا که رویکردهای صنعتی برای بازیافت پسماند باتری‌ها باعث تولید آلاینده‌های مضر می‌شوند، هیدرومتالورژی به‌عنوان گزینه‌ای احتمالی به‌طور فزاینده‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این روش از آب به‌عنوان حلال استخراج‌کننده استفاده می‌شود. این فرایند شامل خرد و ریز کردن باتری‌های مصرف‌شده برای تشکیل ماده‌ای به نام توده سیاه6 است. سپس با حل کردن توده سیاه در مخلوطی از اسیدهای قوی یا اسیدهای ضعیف همراه با مواد شیمیایی دیگر مانند هیدروژن‌پراکسید و صرف گرما، فلزهای ارزشمند را از توده سیاه استخراج می‌کنند.
به گفته تی، اگرچه این روش نسبت به روش‌های معمول، نسبتاً سازگار با محیط‌زیست است اما استفاده از چنین مواد شیمیایی قوی در مقیاس صنعتی می‌تواند به مقدار چشمگیری، آلاینده‌های ثانویه ایجاد کند که ایمنی و بهداشت را با تهدید روبه‌رو می‌کنند.
این گروه تحقیقاتی دریافت که با ترکیب پوست پرتقال خشک و آسیاب شده با سیتریک‌اسید، که یک اسید آلی ضعیف موجود در مرکبات است، می‌توان به نتیجه مشابه رسید.
این روش با موفقیت حدود90 درصد کبالت، لیتیم، نیکل و منگنز را از باتری‌های یون لیتیم مصرف‌شده استخراج می‌کند که با نتایج حاصل از استفاده از هیدروژن‌پراکسید قابل مقایسه است.
استادیار تی چنین توضیح می دهد: رمز موفقیت این روش در سلولز موجود در پوست پرتقال است که در جریان استخراج، در اثر گرما به قند تبدیل می‌شود. تشکیل قند بهبود بازیافت فلز از پسماند باتری را به همراه دارد. آنتی‌اکسیدان‌های طبیعی، مانند فلاونوئیدها و اسیدهای فنولی که در پوست پرتقال یافت می‌شوند، نیز می‌توانند در کارایی این روش نقش داشته باشند.
از آنجا که که مواد باقی‌مانده جامد از این فرایند غیرسمی هستند، این روش از دیدگاه زیست‌محیطی نیز مناسب است.
دانشمندان با استفاده از مواد بازیابی‌شده، باتری‌های یون لیتیم جدیدی را مونتاژ کردند که ظرفیت شارژ مشابه باتری‌های تجاری داشتند. پژوهش‌های بیشتر برای بهینه‌سازی عملکرد چرخه شارژ ـ دشارژ این باتری‌های بازیابی‌شده در حال انجام است.
بنابر نتایج، این فناوری جدید برای بازیافت باتری‌های یون لیتیم مصرف‌شده، در مقیاس صنعتی قابل اجراست. هم‌اکنون این گروه، در پی بهبود بیشتر عملکرد باتری‌های تولیدی خود از پسماند باتری‌های فراوری‌شده است. تلاش برای بهینه‌سازی شرایط، افزایش تولید و بررسی امکان حذف استفاده از اسیدها در این فرایند نیز ادامه دارد.
به گفته پروفسور مدهوی، رویکرد تبدیل پسماند به منبع، می‌تواند به انواع دیگر پسماندهای میوه و سبزیجات غنی از سلولز و انواع دیگر باتری‌های یون لیتیم مانند آهن‌لیتیوم‌فسفات و لیتیم‌نیکل‌منگنز ـ کبالت‌اکسید گسترش یابد؛ گام‌های بلندی در جهت اقتصاد چرخه‌ای جدید پسماندهای الکترونیکی که انرژی مورد نیاز ما را به روشی سبزتر و پایدارتر تأمین می‌کند.
1. Nanyang Technological University
2. Singapore
3. Circular economy
4. Srinivasan, M.
5. Tay, D.
6. black mass
Scientists Use Fruit Peel to Turn Old Lithium-Ion Batteries Into New
scitechdaily.com/scientists-use-fruit-peel-to-turn-old-lithium-ion-batteries-into-new/
Repurposing of Fruit Peel Waste as a Green Reductant for Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries” by Zhuoran Wu, Tanto Soh, Jun Jie Chan, Shize Meng, Daniel Meyer, Madhavi Srinivasan and Chor Yong Tay, 9 July 2020, Environmental Science & Technology. DOI: 10.1021/acs.est.0c02873
فرومون‌ها و حذف همزمان آفت‌ها و حشره‌کش‌ها
دانشمندان در دانشگاه‌های بات1 و ساسکس2 سامانه جدیدی ایجاد کرده‌اند که فرمون‌های مورچه را به‌آرامی آزاد می‌کند تا آفت را به سمت تله حشره‌کش هدایت و حذف کند. بنابراین می‌توان به‌جای پاشش سموم دفع آفات روی کل فراورده‌های کشاورزی، برای محافظت هدفمندتر، تله‌هایی را در مناطق خاص قرار داد.
مورچه‌های برگ‌بر3 از آفت‌های عمده در کشاورزی و جنگل‌داری بسیاری از مناطق استوایی هستند که خسارت سالانه آن‌ها حدود 8 میلیارد دلار، فقط بر جنگل‌های اکالیپتوس در برزیل، برآورد می‌شود.
سموم دفع آفات سنتی معمولاً به‌سرعت تخریب می‌شوند و ویژه آفت خاصی نیستند در نتیجه، مصرف بی‌رویه و هدر‌رفت چشمگیر این مواد، آلودگی زیست‌محیطی و اثرهای زیانبار بر حشرات دیگر را در پی دارد.
گروه شیمی‌دانان و مهندسان شیمی در دانشگاه بات، از اسفنج‌های مولکولی به نام چارچوب‌های آلی‌فلزی4 (MOF) استفاده کرده‌اند که با فرومون‌های هشدار مورچه‌های برگ‌بر اشباع می‌شوند و سپس فرومون‌ها را به آرامی آزاد می‌کنند تا حشرات را به دام بیندازند.
در کنار انجام آزمایش، آن‌ها از مدل‌سازی محاسباتی برای شبیه‌سازی حرکت مولکول فرومون در منافذ MOF استفاده کردند تا پیش‌بینی کنند کدام ساختارها از ظرفیت و سرعت رهاسازی بهینه برخوردارند.
بنابه یافته‌ها، با تغییر گروه‌های شیمیایی در ساختار چارچوب اصلی، می‌توان سرعت رهاسازی فرومون‌ها را چنان تنظیم کرد که مواد شیمیایی به مدت چند ماه، و نه چند روز، آزاد شوند.
آزمایش‌های میدانی روی این سامانه در یک مزرعه اکالیپتوس در برزیل نشان داد که MOFهای مملو از فرومون، اثر مطلوبی در جذب مورچه‌ها به سمت تله دارند.
پروفسور اندرو باروز5، رئیس گروه شیمی دانشگاه بات و استاد شیمی معدنی، که هدایت این مطالعه را برعهده داشته است می‌گوید: استفاده از فرومون حشرات تجربه تازه‌ای نیست؛ مشکل اینجاست که فرومون‌ها کاملاً فرّار هستند و اثر بلندمدت از خود به جا نمی‌گذارند. او می‌افزاید: «چارچوب‌های آلی‌فلزی ما به‌عنوان نوعی اسفنج عمل می‌کنند. می‌توان فرومون‌ها را به منافذ آن‌ها وارد کرد تا در طول زمان به‌آرامی آزاد شوند. مطالعه ما نشان می‌دهد که این مواد در رهاسازی فرومون مؤثرند و حشرات به‌طور طبیعی به آن واکنش نشان می‌دهند. این سامانه می‌تواند میزان پاشش سموم دفع آفات روی فراورده‌های کشاورزی را کاهش دهد و به‌ویژه برای فراورده‌های باارزش در مناطق کوچک سودمند است. هم‌اکنون ما در حال بررسی طیف وسیعی از مواد شیمیایی پیام‌رسان حشرات هستیم، از جمله مواردی که می‌توان برای کنترل گونه‌های آفت پروانه در باغ‌های میوه انگلستان استفاده کرد.»
1. Bath
2. Sussex
3. leaf-cutting ants
4. metal-organic frameworks (MOFs)
5. Burrows, A.
scitechdaily.com/using-ant-pheromones-to-catch-crop-pests-reduce-insecticide-spraying/
Inclusion and release of ant alarm pheromones from metal–organic frameworks” by Harina Amer Hamzah, Daniel Rixson, Joseph Paul-Taylor, Huan V. Doan, Christopher Dadswell, Gavin W. Roffe, Arun Sridhar, Claire L. Hobday, Charlie Wedd, Tina Düren, William O. H. Hughes, John Spencer and Andrew D. Burrows, 21 July 2020, Dalton Transactions. DOI: 10.1039/D0DT02047H
تولید مواد شبه‌چرم از قارچ
گروهی بین‌المللی به سرپرستی شیمی‌دانان مواد، الکساندر بیسمارک1 و میچل جونز2 از دانشگاه وین3، در آخرین مقاله مروری خود4، توانایی چشمگیر پارچه‌های تجدیدپذیر و پایدار تهیه‌شده از قارچ را ارائه می‌دهند.
چرم سنتی و گزینه‌های جایگزین آن معمولاً از حیوانات و پلیمرهای مصنوعی به‌دست می‌آید. چرم را می‌توان به‌عنوان فراورده مشترک تولید گوشت با دامداری و فرایند تولید چرم در نظر گرفت که از نظر اخلاقی مشکوک است و سازگار با محیط‌زیست نیست. نمونه‌هایی از این ناسازگاری در جنگل‌زدایی برای چرا، انتشار گازهای گلخانه‌ای، استفاده از مواد خطرناک در فرایند دباغی مشاهده می‌شود. تولید مواد چرم مصنوعی از پلاستیک‌هایی مانند پلی‌وینیل‌کلرید (PVC) یا پلی‌اورتان (PU) نیز به مواد شیمیایی حاصل از سوخت‌های فسیلی بستگی دارد.
الکساندر بیسمارک از دانشکده شیمی دانشگاه وین می‌گوید: «این جایی است که مواد شبه‌چرم تولیدشده از قارچ‌ها وارد می‌شوند که CO2 دربر ندارند و در پایان، کاملاً تجزیه می‌شوند.» جایگزین‌های چرم را می‌توان به کمک قارچ‌ها با بازیافت فراورده‌های کشاورزی و جنگل‌داری جانبی و کم‌هزینه، مانند خاک‌اره تولید کرد. این مواد به‌عنوان ماده اولیه برای رشد میسلیوم قارچ عمل می‌کنند. میسیلیوم توده‌ای از ساختارهای لوله‌ای باریک و بلند، نمایان‌گر رشد قارچ‌های رشته‌ای است. طی دو هفته می‌توان زیست‌توده قارچی را برداشت کرد و مورد تیمار فیزیکی و شیمیایی ـ برای نمونه، فشار دادن و ایجاد اتصال عرضی ـ قرار داد. بیسمارک می‌گوید: «در نتیجه، این ورق‌های زیست‌توده قارچی، شبیه چرم به‌نظر می‌رسند و مواد و خواص لمسی قابل‌مقایسه با آن دارند.» هم‌اکنون نخستین شرکت‌های زیست فناوری در حال فروش مواد مشتق‌شده از قارچ‌ها هستند.
مواد جایگزین چرم که از قارچ‌ها به‌دست می‌آیند معمولاً شامل کیتین کاملاً تجزیه‌پذیر ـ که به‌عنوان تثبیت‌کننده مواد عمل می‌کند ـ و پلی‌ساکاریدهای دیگر مانند گلوکان‌ها هستند. بیسمارک و جونز در گذشته بررسی‌هایی روی برخی گونه‌های قارچی، مانند نوعی قارچ دکمه‌ای سفید و قارچ تاقچه‌ای5، برای تولید کاغذ و مواد ساختاری فوم‌مانند مناسب در ساخت عایق‌ها، انجام داده‌اند.
دانشمندان در مقاله مروری خود، پایداری چرم‌های گاوی و مصنوعی را بررسی، و نخستین تحولات در زمینه تجاری‌سازی جایگزین‌های چرم حاصل از قارچ‌ها را مرور کرده‌اند. به گفته نویسندگان، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در تولید مواد شبه‌چرم مشتق‌شده از قارچ‌ها، دستیابی به بافت‌های میسلیوم همگن و سازگار است که رشد یکنواخت، ضخامت، رنگ و خواص مکانیکی ثابتی داشته باشد.
پژوهشگران بر این باورند که قارچ‌ها به‌عنوان ماده اولیه برای تولید جایگزین‌های چرم، جایگزینی مناسب از نظر اقتصادی و اجتماعی و زیست‌محیطی برای چرم گاوی و مصنوعی، و مورد توجه ویژه مصرف‌کنندگان و شرکت‌ها و همچنین جامعه گیاه‌خواران هستند. به گفته آن‌ها، پیشرفت‌های چشمگیر در این فناوری و تعداد فزاینده شرکت‌هایی که در حال تولید جایگزین‌های چرم مبتنی بر زیست‌توده هستند، نشان می‌دهد که این ماده جدید نقش چشمگیری در آینده تولید پارچه‌ها، با رعایت مسائل اخلاقی و زیست‌محیطی خواهد داشت.
1. Bismarck, A.
2. Jones, M.
3. The University of Vienna
4. J. Nature Sustainability
5. Bracket fungus
5. از گروه‌های قارچ در شاخه قارچ‌های چتری هستند، معمولاً تنه‌هایی نیم‌دایره و بهصورت تاقچه دارند و روی ساقه‌ها می‌رویند.
Producing leather-like materials from fungi
Biofabrication includes upcycling of low-cost agricultural and forestry by-products
www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200907112331.htm
Mitchell Jones, Antoni Gandia, Sabu John, Alexander Bismarck. Leather-like material biofabrication using fungi. Nature Sustainability, 2020; DOI: 10.1038/s41893-020-00606-1
ترکیب آنتی‌بیوتیک‌ها برای نابودی باکتری‌ها
پژوهشگران دانشگاه اوپسالا1 روشی جدید، سریع، راحت و ارزان ایجاد کرده‌اند که تعیین می‌کند دو آنتی‌بیوتیک ترکیبی تا چه اندازه می‌توانند در جلوگیری از رشد باکتری مؤثر باشند. استفاده از این روش برای آزمایشگاه‌ها ساده است و می‌تواند زمینه بیشتری برای شخصی‌سازی درمان عفونت‌های باکتریایی فراهم کند.
ترکیب داروهای ضدمیکروبی برای برخی بیماری‌های عفونی مانند سل، ایدز و مالاریا همواره تجویز می‌شود. در عفونت‌های باکتریایی که به‌راحتی قابل درمان نیستند، مانند عفونت‌هایی که روی دریچه‌های قلب و پروتزها اثر می‌گذارند و عفونت‌های ریوی در بیماری سیستیک‌فیبروز، نیز معمولاً ترکیبی از آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌شود. این اثر «هم‌افزایی»2 نامیده می‌شود به این معنی که، عملکرد مشترک عوامل ترکیبی، مؤثرتر از هر یک به‌تنهایی است. در مقابل، پدیده‌ای مخالف و نامطلوب به نام «تضاد»3 وجود دارد که در آن دو آنتی‌بیوتیک اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند با این حال، دانستن اینکه اثر ترکیبی چه خواهد بود، همیشه آسان نیست.
با این روش تازه‌توسعه‌یافته معروف به CombiANT ترکیب آنتی‌بیوتیک‌ها4، می‌توان برهم‌کنش میان آنتی‌بیوتیک‌های مختلف را روی صفحه آگار آزمایش کرد و نتایج را در 24 ساعت به‌دست آورد. نویسنده اصلی این طرح، نیکوس فاتسیس‌کاوالوپولوس5، این روش را در دانشگاه اوپسالا توسعه داد. اساس آن، بر پایه استفاده از یک صفحه پلاستیکی چاپ شده سه‌بعدی و ایجاد یک «گرادیان غلظت» از آنتی‌بیوتیک‌هایی است که درون صفحه آگار ریخته می‌شوند. سپس باکتری‌هایی که از یک بیمار جدا شده‌اند، روی صفحه آگار کشت داده می‌شوند تا مشخص شود چگونه در برابر ترکیب‌های مختلف آنتی‌بیوتیک‌ها واکنش نشان می‌دهند.
دانشمندان در مطالعه خود، باکتری ای.کولای6 جدا شده از عفونت‌های دستگاه ادراری را بررسی کردند. کشت‌های مختلف ثابت کرد که همه آن‌ها به یک ترکیب خاص از آنتی‌بیوتیک‌ها واکنش یکسان نشان نمی‌دهند. ترکیبی از آنتی‌بیوتیک‌ها که اثر هم‌افزایی بر بیشتر کشت‌ها داشت، در برخی باعث تضاد شد. در نتیجه، درمان برای گروه دوم نامناسب بود.
دان آی.اندرسون7، استاد باکتری‌شناسی پزشکی در دانشگاه اوپسالا و مسئول اصلی مطالعه، می‌گوید: «این نتیجه ممکن است از اهمیت بالینی بالایی برخوردار باشد. پس به‌جای اینکه فرض کنیم برهم‌کنش میان هم‌افزایی و تضاد، برای همه باکتری‌های جدا‌شده یکسان است، هر نمونه جدا‌شده از یک بیمار آلوده را بهصورت جداگانه آزمایش می‌کنیم.»
به نظر می‌رسد سفارشی کردن ترکیب دارویی به این روش، برای دستیابی به اثربخشی بالا در درمان عفونت‌ها بسیار مهم باشد. به‌عنوان یک روش ساده و کم‌هزینه، معرفی و استفاده از آن در مراقبت‌های بهداشتی نیز آسان است.
1. Uppsala
2. synergism
3. antagonism
4. ombiANT
5. Fatsis-Kavalopoulos, N.
6. E. coli
7. Andersson, D.I.
New high-speed test shows how antibiotics combine to kill bacteria
phys.org/news/2020-09-high-speed-antibiotics-combine-bacteria.html
Nikos Fatsis-Kavalopoulos et al, CombiANT: Antibiotic interaction testing made easy, PLOS Biology (2020). DOI: 10.1371/journal.pbio.3000856
فناوری پرتوی ایکس توسعه‌یافته
دانشمندان دانشگاه ایالتی فلوریدا1 ماده جدیدی تولید کرده‌اند که می‌تواند برای ساخت آشکارسازهای انعطاف‌پذیر پرتوی ایکس استفاده شود؛ ماده‌ای که برای محیط زیست آسیب، و نسبت به فناوری‌های موجود، هزینه کمتری دارند.
این گروه به سرپرستی بیوو ما2، استاد گروه شیمی و بیوشیمی، آشکارسازهای سوسو زن پرتوی ایکس3 را با استفاده از ماده‌ای سازگار با محیط زیست تولید کرد.
ما می‌گوید: «توسعه مواد سوسو زن ارزان که به‌راحتی قابل تولید و دارای عملکرد خوبی باشند، همچنان یک چالش بزرگ است. این کار زمینه را برای بررسی رویکردهای جدید در ایجاد این دستگاه‌های مهم هموار می‌کند.»
این آشکارسازهای سوسو زن، پرتوی ایکس را به نور مرئی تبدیل می‌کنند و نمونه‌ای متداول از آشکارسازهای پرتوی ایکس هستند. هنگامی که به دندانپزشک یا فرودگاه مراجعه می‌کنید، از آشکارسازهای سوسو زن برای گرفتن عکس از دندان‌ها یا اسکن چمدان استفاده می‌شود.
از مواد مختلفی برای ساخت آشکارسازهای سوسو زن استفاده شده است که ساخت برخی از آن‌ها دشوار یا گران است. حتی از ترکیب‌هایی استفاده شده که شامل سرب هستند درحالی‌که سمی بودن سرب می‌تواند نگران‌کننده باشد.
گروه استاد ما، راه‌حل متفاوتی پیدا کرد؛ به‌جای استفاده از سرب یا فلزهای سنگین، از ترکیب‌های منگنز‌هالید آلی برای تولید سوسو زن‌ها استفاده شد. از این ترکیب می‌توان برای تولید گردی که عملکرد بسیار خوبی برای تصویربرداری دارد و با یک پلیمر برای تشکیل چندسازه‌ای انعطاف‌پذیر ترکیب می‌شود، استفاده کرد. این انعطاف‌پذیری بهره‌گیری از این فناوری را گسترش می‌دهد.
به گفته ما، دانشمندان سوسو زن‌های مختلف با ترکیب‌های متنوعی تولید کرده‌اند اما این فناوری ارائه‌دهنده دستگاه‌هایی با هزینه کم، کارایی بالا و مواد سازگار با محیط زیست است.
1. Florida
2. Ma, B.
3. X-ray scintillators
New X-ray detection technology developed
www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200831154359.htm
Liang-JinXu, Xinsong Lin, Qingquan He, Michael Worku, Biwu Ma. Highly efficient eco-friendly X-ray scintillators based on an organic manganese halide. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-18119-y
تبدیل گازهای منتشر‌شده به مواد سودمند
شاما شرادا1 و گروهی از پژوهشگران دانشکده مهندسی در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی2، در پی تجزیه CO2 و تبدیل گازهای گلخانه‌ای دیگر به مواد سودمند مانند سوخت، مواد دارویی و پلیمر هستند. به‌طور معمول، این فرایند به انرژی فراوان نیاز دارد. با این حال، شرادا و گروهش یک حامی بسیار پایدار را به خدمت گرفتند: خورشید!
آن‌ها نشان دادند که نور فرابنفش می‌تواند در تحریک یک مولکول آلی به نام الیگوفنیلن3 بسیار مؤثر باشد. با قرار گرفتن در برابر پرتوی فرابنفش، الیگوفنیلن تبدیل به یک آنیون می‌شود و الکترون‌ها را به‌راحتی به نزدیک‌ترین مولکول، از جمله CO2 منتقل می‌کند. CO2 واکنش‌پذیر شده می‌تواند کاهش یابد و به موادی مانند پلاستیک، دارو یا حتی مبلمان تبدیل شود.
شرادا می‌گوید: «کاهش CO2 بسیار سخت است، از این‌رو به مدت چند دهه در هواکره باقی می‌ماند. درحالی‌که این آنیون قادر به کاهش موادی حتی به پایداری CO2 است.»
افزایش سریع غلظت کربن‌دی‌اکسید در هواکره زمین یکی از ضروری‌ترین مسائلی است که بشر باید برای جلوگیری از فاجعه آب‌وهوایی به آن بپردازد.
از زمان شروع عصر صنعت، بشر با سوزاندن سوخت‌های فسیلی، میزان CO2 موجود در هواکره را تا 45 درصد افزایش داده است. در نتیجه، میانگین دمای کره زمین اکنون دو درجه سلسیوس گرم‌تر از دوران پیش از عصر صنعت است. به لطف گازهای گلخانه‌ای مانند CO2، گرمای خورشید در هواکره زمین به دام می‌افتد و باعث گرم شدن سیاره ما می‌شود.
بسیاری از گروه‌های پژوهشی در حال بررسی روش‌هایی برای تبدیل CO2، به سوخت یا مواد اولیه بر پایه کربن برای تولید مواد دارویی، پلیمر و ... هستند.
این فرایند به‌طور سنتی از گرما یا برق به همراه کاتالیزگر استفاده می‌کند. با این حال، بسیاری از این روش‌ها اغلب انرژی زیادی مصرف می‌کنند که برای فرایند با هدف کاهش اثرهای زیست‌محیطی ایده‌آل نیست. استفاده از نور خورشید به‌جای تحریک مولکول کاتالیزگر جذاب است زیرا از نظر انرژی پربازده و پایدار است.
شرادا می‌گوید: «بیشتر روش‌های دیگر انجام این کار، شامل استفاده از مواد شیمیایی مبتنی بر فلز است و این فلزها، فلزهای خاکی کمیاب هستند که گران‌اند، یافتن آن‌ها دشوار است و سمی هستند.»
به گفته شرادا، استفاده از کاتالیزگرهای آلی بر پایه کربن، گزینه جایگزین مناسبی برای انجام این تبدیل با استفاده از نور خورشید است. با این حال، این روش چالش‌های خاص خود را دارد که دانشمندان قصد دارند آن‌ها را برطرف کنند. برای شناسایی مناسب‌ترین کاتالیزگرها برای این واکنش، آنان از شبیه‌سازی‌های شیمی‌کوانتوم برای درک نحوه حرکت الکترون‌ها میان کاتالیزگر و CO2 استفاده می‌کنند.
این کار نخستین مطالعه محاسباتی در نوع خود بود، زیرا دانشمندان قبلاً سازوکار اصلی انتقال الکترون از یک مولکول آلی مانند الیگوفنیلن به CO2 را بررسی نکرده‌اند. این گروه دریافت که می‌تواند با افزودن گروه‌هایی از اتم‌ها، تغییرات سازمان‌یافته‌ای روی کاتالیزگر الیگوفنیلن ایجاد کند. گروه‌های اتمی هنگام اتصال به مولکول، خواص ویژه‌ای به آن می‌دهند که می‌تواند الکترون‌ها را به سمت مرکز کاتالیزگر سوق دهد تا سرعت واکنش افزایش یابد.
با وجود چالش‌ها، شرادا از موقعیت‌های گروهش هیجان‌زده است. یکی از این چالش‌ها این است که آن‌ها می‌توانند تابش را مهار کنند اما بخش محدودی از نور در ناحیه مرئی است، محدوده‌ای که برای انجام واکنش مورد نیاز است.
این گروه با استفاده از هر دو روش شیمی‌کوانتوم و الگوریتم‌های ژنتیک4 در‌حال بررسی رویکردهای طراحی کاتالیزگر است که نه‌تنها به واکنش سرعت می‌بخشد بلکه اجازه می‌دهد مولکول با نور مرئی تحریک شود.
1. Sharada, Sh.
2. University of Southern California
3. Oligophenylene
4. Genetic algorithms
Can sunlight convert emissions into useful materials?
www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200901175409.htm
Kareesa J. Kron, Samantha J. Gomez, Yuezhi Mao, Robert J. Cave, Shaama Mallikarjun Sharada. Computational Analysis of Electron Transfer Kinetics for CO2 Reduction with Organic Photoredox Catalysts. The Journal of Physical Chemistry A, 2020; 124 (26): 5359 DOI: 10.1021/acs.jpca.0c03065
مواد غیرفعال داروها؛ بی‌اثر یا خطرناک؟
برخی از موادی که به پایدار نگه‌داشتن داروها و وارد شدن آن‌ها به بدن کمک می‌کنند، می‌توانند اثرهای زیست‌شناختی ناشناخته داشته باشند. پژوهشگران در ایالات متحده، 639 مورد از این مواد را که به‌عنوان مواد کمکی1 شناخته می‌شوند، مطالعه کردند. مواد کمکی به ترکیب دارویی افزوده می‌شوند تا دارو رنگ، شکل یا غلظت دلخواه را پیدا کند. دانشمندان 38 مورد را پیدا کرده‌اند که با پروتئین‌های مربوط از نظر پزشکی ارتباط برقرار می‌کنند. مقدار دو ماده کمکی، به نام ستیل‌پیریدینیوم‌کلرید2 و تیمروزال3، ممکن است به سطوحی در بدن برسند که می‌تواند منجر به اثرهای ناخواسته شود.
یکی از پژوهشگران ارشد این تحقیق، برایان شویچت4 از دانشگاه کالیفرنیا، سانفرانسیسکو5 (UCSF) می‌گوید: «در حالی‌که این مواد در بیشتر موارد منجر به سمیت نمی‌شوند اما برهم‌کنش آن‌ها می‌تواند آن‌چنان قوی باشد که نگرانی ایجاد کند و شاید بتوان همه آن‌ها را جایگزین کرد.»
لازلو اوربان6، مدیر اجرایی مؤسسه پژوهشی زیست‌پزشکی نووارتیس7 (NIBR) در کمبریج8 می‌افزاید: «باید توجه داشته باشیم که یافته‌های این پژوهش از سلول‌ها به‌دست آمده‌اند و در بدن انسان مطالعه نشده‌اند. پس در نخستین قدم باید دریابیم این مواد کمکی، در صورت وجود در سلول، چه اثرهای مولکولی دارند. برآورد اینکه آیا مواد شناسایی‌شده واقعاً باعث ایجاد عوارض جانبی در بیماران می‌شوند خیلی زود است.»
در حالی‌که تمام داروهای موجود در بازار از نظر ایمنی به‌دقت مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، NIBR قصد داشت مواد کمکی را برای تولید امن‌ترین فرمول‌بندی در فراورده‌های دارویی جست‌وجو کند.
گروه شویچت از دیدگاه محاسباتی، 639 ماده کمکی هدف را از بین 3000 پروتئین مرتبط با پزشکی پیش‌بینی و 69 جفت احتمالی مواد کمکی پروتئین را پیدا کرد. بنا به آزمایش‌ها، 19 ماده کمکی، دست‌کم بر یکی از 12 هدف پروتئینی اثر می‌گذارند. در همین حال، دانشمندان در NIBR، 73 مورد از پرمصرف‌ترین مواد کمکی را در برابر 28 پروتئین هدف مربوط به سمیت، در نتایج آزمایشگاهی غربال کردند. آن‌ها با تلفیق یافته‌های خود دریافتند که 38 ماده کمکی از نظر زیست‌شناختی فعال، و بسیاری از آن‌ها با بیش از یک پروتئین در تعامل هستند.
دانشمندان NIBR در ادامه، آزمایش‌های برهم‌کنش‌های مولکولی با پروتئین‌های انسانی را در آزمایش‌های زیست‌شیمیایی و مبتنی بر سلول انجام دادند. همچنین آزمایش‌های مربوط به هفت ماده کمکی روی موش‌ها انجام شد تا نحوه گردش این مواد در بدن افراد را مدل‌سازی کنند. دو ماده به سطوحی رسیده‌اند که می‌توانند اثرهای مرتبط داشته باشند: یکی، تیمروزال ضدباکتریایی ارگانو مرکوری9 که اغلب در واکسن‌ها استفاده می‌شود و دیگری، ستیل‌پیریدینیوم‌کلرید، ضد‌عفونی‌کننده‌ای که اغلب در دهان‌شویه استفاده می‌شود. هر دو ماده می‌توانند با اتصال به گیرنده‌های دوپامین در روده و مغز، به‌طور قابل‌قبولی منجر به اثرهای منفی شوند.
1. excipient
2. cetylpyridinium chloride
3. thierosal
4. Shoichet, B.
5. University of California, San Francisco (UCSF)
6. Urban, L.
7. Novartis Institutes for Biomedical Research (NIBR)
8. Cambridge
9. Organomercury antibacterial thimerosal
www.chemistryworld.com/news/common-inactive-drug-ingredients-not-as-inert-as-thought/4012184.article
J Pottel et al, Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aaz9906