இயற்கையும் பிளாஸ்டிக்குகளும் மென்மையான நிலையான பொருட்களில் முன்னேற்றத்தை ஊக்குவிக்கின்றன

பெப்டைடுகள் மற்றும் பிளாஸ்டிக்கில் உள்ள பெரிய மூலக்கூறுகளின் துணுக்கைப் பயன்படுத்தி, வடமேற்கு பல்கலைக்கழக பொருட்கள் விஞ்ஞானிகள் ஆற்றலைச் சேமிக்க அல்லது டிஜிட்டல் தகவல்களைப் பதிவுசெய்ய பேட்டரியைப் போல சார்ஜ் செய்யக்கூடிய சிறிய, நெகிழ்வான நானோ அளவிலான ரிப்பன்களால் செய்யப்பட்ட பொருட்களை உருவாக்கியுள்ளனர். அதிக ஆற்றல் திறன், உயிர் இணக்கத்தன்மை மற்றும் நிலையான பொருட்களால் ஆனது, அமைப்புகள் புதிய வகையான அல்ட்ராலைட் மின்னணு சாதனங்களை உருவாக்கலாம், அதே நேரத்தில் மின்னணு உற்பத்தி மற்றும் அகற்றலின் சுற்றுச்சூழல் தாக்கத்தை குறைக்கலாம்.

இந்த ஆய்வு நாளிதழில் புதன்கிழமை (அக். 9) வெளியிடப்படும் இயற்கை.

மேலும் வளர்ச்சியுடன், புதிய மென்மையான பொருட்கள் குறைந்த சக்தி, ஆற்றல் திறன் கொண்ட மைக்ரோஸ்கோபிக் மெமரி சில்லுகள், சென்சார்கள் மற்றும் ஆற்றல் சேமிப்பு அலகுகளில் பயன்படுத்தப்படலாம். ஸ்மார்ட் துணிகள் அல்லது ஸ்டிக்கர் போன்ற மருத்துவ உள்வைப்புகளை உருவாக்க ஆராய்ச்சியாளர்கள் அவற்றை நெய்த இழைகளுடன் ஒருங்கிணைக்கலாம். இன்றைய அணியக்கூடிய சாதனங்களில், எலக்ட்ரானிக்ஸ் கையில் மணிக்கட்டுப் பட்டையுடன் இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளது. ஆனால், புதிய பொருட்களுடன், மணிக்கட்டு தன்னை மின்னணு செயல்பாடு இருக்க முடியும்.

“பொருள் அறிவியல் மற்றும் மென்மையான பொருட்கள் ஆராய்ச்சியில் இது முற்றிலும் புதிய கருத்து” என்று ஆய்வுக்கு தலைமை தாங்கிய வடமேற்கு சாமுவேல் ஐ. ஸ்டப் கூறினார். “நீங்கள் ஏர் கண்டிஷனிங் கொண்ட சட்டையை அணியலாம் அல்லது திசுக்களைப் போல உணரக்கூடிய மென்மையான பயோஆக்டிவ் உள்வைப்புகளை நம்பலாம் மற்றும் இதயம் அல்லது மூளையின் செயல்பாட்டை மேம்படுத்த கம்பியில்லாமல் செயல்படுத்தப்படும் எதிர்காலத்தை நாங்கள் கற்பனை செய்கிறோம்.

“அந்தப் பயன்பாடுகளுக்கு மின் மற்றும் உயிரியல் சிக்னல்கள் தேவை, ஆனால் கிளாசிக் எலக்ட்ரோஆக்டிவ் பொருட்களைக் கொண்டு அந்த பயன்பாடுகளை உருவாக்க முடியாது. கடினமான பொருட்களை நம் உறுப்புகளில் அல்லது மக்கள் அணியக்கூடிய சட்டைகளில் வைப்பது நடைமுறையில் இல்லை. மென்மையான பொருட்களின் உலகில் மின் சமிக்ஞைகளை கொண்டு வர வேண்டும். அதைத்தான் இந்த ஆய்வில் செய்துள்ளோம்.”

ஸ்டப் வடமேற்கில் உள்ள பொருள் அறிவியல் மற்றும் பொறியியல், வேதியியல், மருத்துவம் மற்றும் பயோமெடிக்கல் இன்ஜினியரிங் ஆகியவற்றின் அறங்காவலர் குழுவின் பேராசிரியராக உள்ளார். இந்த ஆராய்ச்சி தொடங்கிய பயோ-இன்ஸ்பைர்டு எனர்ஜி சயின்ஸிற்கான அமெரிக்க எரிசக்தி துறை-ஆதரவு மையத்தின் இயக்குனராக கடந்த பத்தாண்டுகளாக பணியாற்றியுள்ளார். மெக்கார்மிக் ஸ்கூல் ஆஃப் இன்ஜினியரிங், வெயின்பெர்க் கலை மற்றும் அறிவியல் கல்லூரி மற்றும் நார்த்வெஸ்டர்ன் யுனிவர்சிட்டி ஃபீன்பெர்க் ஸ்கூல் ஆஃப் மெடிசின் ஆகியவற்றில் ஸ்டப்பிற்கு நியமனங்கள் உள்ளன. யாங் யாங், ஸ்டப்பின் ஆய்வகத்தில் ஒரு ஆராய்ச்சி கூட்டாளி ஆவார், அவர் காகிதத்தின் முதல் ஆசிரியர் ஆவார்.

உண்மையான கண்டுபிடிப்புக்காக பெப்டைடுகள் பிளாஸ்டிக்கை சந்திக்கின்றன

புதிய பொருளின் பின்னணியில் உள்ள ரகசியம் பெப்டைட் ஆம்பிஃபில்ஸ் ஆகும், இது ஸ்டப்பின் ஆய்வகத்தில் முன்னர் உருவாக்கப்பட்ட மூலக்கூறுகளின் பல்துறை தளமாகும். இந்த சுய-அசெம்பிளிங் கட்டமைப்புகள் தண்ணீரில் இழைகளை உருவாக்குகின்றன மற்றும் ஏற்கனவே மீளுருவாக்கம் செய்யும் மருத்துவத்தில் உறுதிமொழியை நிரூபித்துள்ளன. மூலக்கூறுகளில் பெப்டைடுகள் மற்றும் லிப்பிட் பிரிவு உள்ளது, இது தண்ணீரில் வைக்கப்படும் போது மூலக்கூறு சுய-அசெம்பிளை இயக்குகிறது.

புதிய ஆய்வில், குழு லிப்பிட் வால் பதிலாக பாலிவினைலைடின் ஃவுளூரைடு (PVDF) எனப்படும் பிளாஸ்டிக்கின் ஒரு சிறிய மூலக்கூறு பிரிவுடன் மாற்றப்பட்டது. ஆனால் அவர்கள் பெப்டைட் பிரிவை வைத்திருந்தனர், இதில் அமினோ அமிலங்களின் வரிசைகள் உள்ளன. ஆடியோ மற்றும் சோனார் தொழில்நுட்பங்களில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும், PVDF என்பது அசாதாரண மின் பண்புகளைக் கொண்ட ஒரு பிளாஸ்டிக் ஆகும். இது அழுத்தும் போது அல்லது அழுத்தும் போது மின் சமிக்ஞைகளை உருவாக்க முடியும் — பைசோ எலக்ட்ரிசிட்டி எனப்படும் ஒரு பண்பு. இது ஒரு ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் பொருளாகும், அதாவது வெளிப்புற மின்னழுத்தத்தைப் பயன்படுத்தி 180 டிகிரி நோக்குநிலையை மாற்றக்கூடிய ஒரு துருவ அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. தொழில்நுட்பத்தில் ஆதிக்கம் செலுத்தும் ஃபெரோஎலக்ட்ரிக்ஸ் கடினமான பொருட்கள் மற்றும் பெரும்பாலும் ஈயம் மற்றும் நியோபியம் போன்ற அரிதான அல்லது நச்சு உலோகங்களை உள்ளடக்கியது.

“PVDF 1960 களின் பிற்பகுதியில் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது மற்றும் ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் பண்புகளைக் கொண்ட முதல் அறியப்பட்ட பிளாஸ்டிக் ஆகும்” என்று ஸ்டப் கூறினார். “இது மின்சார சாதனங்களுக்குப் பயன்படும் அதே வேளையில் பிளாஸ்டிக்கின் அனைத்து வலிமையையும் கொண்டுள்ளது. இது மேம்பட்ட தொழில்நுட்பங்களுக்கான மிக உயர்ந்த மதிப்புடைய பொருளாக அமைகிறது. இருப்பினும், தூய வடிவில், அதன் ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் தன்மை நிலையானது அல்ல, மேலும், சூடேற்றப்பட்டால், கியூரி வெப்பநிலை, அது அதன் துருவமுனைப்பை மீளமுடியாமல் இழக்கிறது.”

PVDF உட்பட அனைத்து பிளாஸ்டிக்குகளும் பாலிமர்களைக் கொண்டிருக்கின்றன, அவை பொதுவாக ஆயிரக்கணக்கான இரசாயன கட்டமைப்பு அலகுகளைக் கொண்ட மாபெரும் மூலக்கூறுகளாகும். புதிய ஆய்வில், ஸ்டப் ஆய்வகம் 3 முதல் 7 வினைலைடின் ஃவுளூரைடு அலகுகள் கொண்ட சிறு பாலிமர்களை துல்லியமாக ஒருங்கிணைத்தது. சுவாரஸ்யமாக, 4, 5 அல்லது 6 அலகுகள் கொண்ட சிறிய பிரிவுகள், புரதங்களில் இருக்கும் இயற்கையின் பீட்டா-தாள் கட்டமைப்புகளால், நிலையான ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் கட்டமாக ஒழுங்கமைக்கப்படுகின்றன.

“இது ஒரு சிறிய பணி அல்ல,” ஸ்டப் கூறினார். “பெப்டைடுகள் மற்றும் பிளாஸ்டிக்குகள் – இரண்டு சாத்தியமில்லாத கூட்டாளர்களின் கலவையானது பல விஷயங்களில் ஒரு முன்னேற்றத்திற்கு வழிவகுத்தது.”

புதிய பொருட்கள் PVDF ஐப் போலவே ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் மற்றும் பைசோஎலக்ட்ரிக் என சமமாக இருந்தன, ஆனால் எலக்ட்ரோஆக்டிவ் வடிவங்கள் நிலையானவை, மிகக் குறைந்த வெளிப்புற மின்னழுத்தங்களைப் பயன்படுத்தி துருவமுனைப்பை மாற்றும் திறன் கொண்டது. இது குறைந்த சக்தி கொண்ட எலக்ட்ரானிக்ஸ் மற்றும் நிலையான நானோ அளவிலான சாதனங்களுக்கான கதவைத் திறக்கிறது. பெப்டைட் பிரிவுகளில் உயிரியக்க சிக்னல்களை இணைப்பதன் மூலம் புதிய உயிரியல் மருத்துவ தொழில்நுட்பங்களை உருவாக்குவதையும் விஞ்ஞானிகள் கருதுகின்றனர், இது ஸ்டப்பின் மீளுருவாக்கம் மருத்துவ ஆராய்ச்சியில் ஏற்கனவே பயன்படுத்தப்பட்ட உத்தியாகும். இது பயோஆக்டிவ் கொண்ட மின்சாரம் செயல்படும் பொருட்களின் தனித்துவமான கலவையை வழங்குகிறது.

தண்ணீர் சேர்த்தால் போதும்

நிலையான கட்டமைப்புகளை உருவாக்க, ஸ்டப்பின் குழு சுய-அசெம்பிளி செயல்முறையைத் தூண்டுவதற்கு தண்ணீரைச் சேர்த்தது. பொருட்களை மூழ்கடித்த பிறகு, PVDF இன் மிகவும் விரும்பப்பட்ட ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் பண்புகளை அவர்கள் அடைந்ததைக் கண்டு ஸ்டப் ஆச்சரியப்பட்டார்.

வெளிப்புற மின்சார புலத்தின் முன்னிலையில், ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் பொருட்கள் அவற்றின் துருவ நோக்குநிலையை புரட்டுகின்றன — ஒரு காந்தத்தை எப்படி வடக்கிலிருந்து தெற்காகவும், மீண்டும் மீண்டும் புரட்ட முடியும் என்பதைப் போலவும். செயற்கை நுண்ணறிவு தொழில்நுட்பங்களுக்கான முக்கியமான அம்சமான தகவலைச் சேமிக்கும் சாதனங்களுக்கு இந்தச் சொத்து முக்கியப் பொருளாகும். ஆச்சரியப்படும் விதமாக, பெப்டைட் வரிசையில் உள்ள “பிறழ்வுகள்” ஃபெரோஎலக்ட்ரிசிட்டி தொடர்பான பண்புகளை மாற்றியமைக்கலாம் அல்லது “ரிலாக்ஸர் ஃபேஸ்கள்” எனப்படும் செயல்பாட்டிற்கு அல்லது ஆற்றல் சேமிப்பிற்கு ஏற்ற பொருட்களாக கட்டமைப்புகளை மாற்றலாம் என்று புலனாய்வாளர்கள் கண்டறிந்தனர்.

“உயிரியலில் உள்ள பெப்டைட் வரிசை பிறழ்வுகள் நோயியல் அல்லது உயிரியல் நன்மைகளின் மூலமாகும்” என்று ஸ்டப் கூறினார். “புதிய பொருட்களில், பெப்டைட்களை இயற்பியல் உலகிற்கு அவற்றின் பண்புகளை மாற்றியமைக்கிறோம்.

“நானோ அளவிலான மின்முனைகளைப் பயன்படுத்தி, வானியல் எண்ணிக்கையிலான சுய-அசெம்பிளிங் கட்டமைப்புகளை மின்சார புலங்களுக்கு வெளிப்படுத்தலாம். குறைந்த மின்னழுத்தத்துடன் அவற்றின் துருவமுனைப்பை புரட்டலாம், எனவே ஒன்று 'ஒன்றாக' செயல்படுகிறது, மேலும் எதிர் நோக்குநிலை 'பூஜ்ஜியமாக செயல்படுகிறது. ' இது தகவல் சேமிப்பிற்கான பைனரி குறியீட்டை உருவாக்குகிறது, மேலும் பொதுவான ஃபெரோஎலக்ட்ரிக்ஸுக்கு நேர்மாறாக, புதிய பொருட்கள் 'மல்டிஆக்சியல்' ஆகும் – அதாவது அவை ஒன்று அல்லது இரண்டு குறிப்பிட்ட திசைகளை விட பல திசைகளில் துருவமுனைப்பை உருவாக்க முடியும்.

குறைந்த சக்தியில் சாதனை படைத்தது

அவற்றின் துருவமுனைப்பைப் புரட்ட, PVDF அல்லது பிற பாலிமர்கள் போன்ற மென்மையான ஃபெரோஎலக்ட்ரிக் பொருட்களுக்கு கூட பொதுவாக கணிசமான வெளிப்புற மின்சார புலம் தேவைப்படுகிறது. இருப்பினும், புதிய கட்டமைப்புகளுக்கு நம்பமுடியாத அளவிற்கு குறைந்த மின்னழுத்தம் தேவைப்படுகிறது.

“அவற்றின் துருவங்களை புரட்ட தேவையான ஆற்றல் மல்டிஆக்சியல் சாஃப்ட் ஃபெரோஎலக்ட்ரிக்ஸுக்கு இதுவரை பதிவாகியவற்றில் மிகக் குறைவு” என்று ஸ்டப் கூறினார். “பெருகிய முறையில் ஆற்றல்-பசி காலங்களில் இது எவ்வளவு ஆற்றலைச் சேமிக்கும் என்பதை நீங்கள் கற்பனை செய்யலாம்.”

புதிய பொருட்கள் இயற்கையான சுற்றுச்சூழல் நன்மைகளையும் கொண்டுள்ளன. பல நூற்றாண்டுகளாக சுற்றுச்சூழலில் நிலைத்திருக்கும் வழக்கமான பிளாஸ்டிக்குகள் போலல்லாமல், ஸ்டப் ஆய்வகத்தின் பொருட்கள் தீங்கு விளைவிக்கும், நச்சு கரைப்பான்கள் அல்லது உயர் ஆற்றல் செயல்முறைகளைப் பயன்படுத்தாமல் மக்கும் அல்லது மீண்டும் பயன்படுத்தப்படலாம்.

“ஃபெரோஎலக்ட்ரிக்ஸிற்கான மரபுசாரா பயன்பாடுகளில் புதிய கட்டமைப்புகளைப் பயன்படுத்துவதை நாங்கள் இப்போது பரிசீலித்து வருகிறோம், இதில் பயோமெடிக்கல் சாதனங்கள் மற்றும் உள்வைப்புகள் மற்றும் புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலில் முக்கியமான வினையூக்க செயல்முறைகள் அடங்கும்” என்று ஸ்டப் கூறினார். “புதிய பொருட்களில் பெப்டைட்களின் பயன்பாட்டைக் கருத்தில் கொண்டு, அவை உயிரியல் சமிக்ஞைகளுடன் செயல்படுவதற்குத் தங்களைக் கடனாகக் கொடுக்கின்றன. இந்த புதிய திசைகளைப் பற்றி நாங்கள் மிகவும் உற்சாகமாக இருக்கிறோம்.”