જો પ્રયોગશાળાઓ રોગો શોધી શકે, પાણીની શુદ્ધતાનું પરીક્ષણ કરી શકે, અથવા નાના સેન્સરને પાવર કરી શકે, અને તમારી આંગળીના ટેરવે પણ ફિટ થઈ શકે તો શું? આ "લેબ-ઓન-અ-ચિપ" ટેકનોલોજીનું વચન છે, જેમાં કોમ્પેક્ટ ઉપકરણોનો સમાવેશ થાય છે જે પ્રવાહીની નાની માત્રાનો ઉપયોગ કરીને જટિલ રાસાયણિક અથવા જૈવિક વિશ્લેષણ કરે છે. ચાર દાયકાના સંશોધન છતાં, આયન ગતિનું ચોક્કસ નિયંત્રણ, આ ચિપ્સની અંદર રસાયણશાસ્ત્ર ચલાવતા ચાર્જ્ડ કણો, એક પડકાર રહે છે. નેચર કોમ્યુનિકેશન્સમાં તાજેતરમાં પ્રકાશિત થયેલા એક અભ્યાસમાં, ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી ગાંધીનગર (IITGN) ના સંશોધકોએ તાઇવાન, પોર્ટુગલ અને યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સની ટીમો સાથે મળીને એક સફળતા દર્શાવી છે જે આ અવરોધને દૂર કરવામાં મદદ કરી શકે છે.

તેઓએ વર્મીક્યુલાઇટ માટીનો ઉપયોગ કરીને અણુ સ્કેલ પર આયનોની ગતિને વિદ્યુત રીતે નિયંત્રિત કરવાનો માર્ગ શોધી કાઢ્યો, જે એક વિપુલ પ્રમાણમાં અને કુદરતી રીતે બનતું ખનિજ છે. આયનોની ગતિને માર્ગદર્શન અને નિયમન કરવાની આ ક્ષમતા અસંખ્ય વૈજ્ઞાનિક પહેલ માટે મહત્વપૂર્ણ છે, જેમાં લોહીના ટીપામાં બાયોમાર્કર્સ શોધવાથી લઈને દરિયાઈ પાણીને ડિસેલિનેટ કરવા સુધીનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, દરિયાઈ પાણી અથવા જૈવિક પ્રવાહી (100 mM અને તેથી વધુ) જેવા ઉચ્ચ-ક્ષારવાળા વાતાવરણમાં, આયનો એટલા ગીચ બની જાય છે કે તેમના વિદ્યુત ક્ષેત્રો પ્રભુત્વ ધરાવે છે. પરિણામે, બાહ્ય વોલ્ટેજ લાગુ કરવાથી તેમની ગતિને નિયંત્રિત કરવામાં બહુ ઓછું મદદ મળે છે.

નિયંત્રણ પાછું મેળવવા માટે, પ્રવાહી ચેનલો અત્યંત નાની હોવી જોઈએ, મીટરના દસ-અબજમા ભાગ કરતાં ઓછી પહોળી, જેથી સપાટીઓ પોતે આયનો કેવી રીતે ફરે છે તેના પર પ્રભુત્વ ધરાવે. પરંતુ આવી નાની, સ્થિર અને સમાન ચેનલોનું નિર્માણ લાંબા સમયથી એક મોટો તકનીકી પડકાર રહ્યો છે. હાલની નેનોફ્લુઇડિક સિસ્ટમો, જે સામાન્ય રીતે ગ્રાફીન ઓક્સાઇડ અથવા સિલિકોનથી બનેલી હોય છે, તે ખૂબ જ પાતળી સ્થિતિમાં જ સારી કામગીરી બજાવે છે; વાસ્તવિક, ખારા વાતાવરણમાં, તેમનું પ્રદર્શન ઝડપથી ઘટી જાય છે. "અમે વર્મીક્યુલાઇટના સ્તરીય અણુ માળખાનો ઉપયોગ કર્યો, જેમાં નાના આંતરસ્તરીય ગાબડા છે જે આયનો અને પાણીના અણુઓને ફસાવી શકે છે," IITGN ના ભૌતિકશાસ્ત્ર વિભાગના એસોસિયેટ પ્રોફેસર અને અભ્યાસના મુખ્ય તપાસકર્તા પ્રોફેસર કેલોને સમજાવ્યું હતું.

કુદરતી રીતે હાજર મેગ્નેશિયમને પોટેશિયમ, કેલ્શિયમ અથવા એલ્યુમિનિયમથી કાળજીપૂર્વક બદલીને, ટીમ શીટ્સ વચ્ચેના અંતરને ફક્ત 3-5 એંગસ્ટ્રોમ અથવા મીટરના થોડા દસ-અબજમા ભાગ સુધી ટ્યુન કરવામાં સક્ષમ હતી. "આ અતિ-મર્યાદિત સ્કેલ પર, નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ ચેનલ દિવાલોમાંથી વિદ્યુત ક્ષેત્રો સમગ્ર જગ્યામાં ઓવરલેપ થાય છે," તેમણે ઉમેર્યું. આનાથી વિદ્યુત સંકેતો ચેનલમાંથી પસાર થતા બધા આયનોને પ્રભાવિત કરી શકે છે, ખારા વાતાવરણમાં પણ જ્યાં આ સામાન્ય રીતે અશક્ય હશે.

આ ડિઝાઇનની સફળતાથી પ્રેરિત થઈને, ટીમે વોલ્ટેજ-ગેટેડ નેનોફ્લુઇડિક ઉપકરણ બનાવ્યું, જે અસરકારક રીતે એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર છે જે ઇલેક્ટ્રોનને બદલે આયનોના પ્રવાહને નિયંત્રિત કરે છે. "અમે પોટેશિયમ આયનોના પ્રવાહનું પરીક્ષણ કર્યું, જે ઘણી જૈવિક અને રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ માટે મહત્વપૂર્ણ છે, વર્મીક્યુલાઇટ દ્વારા," અભ્યાસના પ્રથમ લેખક અને IITGN ખાતે ભૂતપૂર્વ પીએચડી વિદ્યાર્થી ડૉ. વિશ્વભૂષણ ધલે જણાવ્યું હતું. નાના વિદ્યુત સંકેતનો ઉપયોગ કરીને, ટીમે આયન પ્રવાહ પર અભૂતપૂર્વ સ્તરનું નિયંત્રણ દર્શાવ્યું. ઉપકરણ ચાલુ કરતી વખતે તેઓએ વિદ્યુત વાહકતામાં 1400% મોટો ફેરફાર જોયો, જે ઉચ્ચ-મીઠાની સ્થિતિ માટેનો રેકોર્ડ છે.

મોલેક્યુલર ડાયનેમિક્સ સિમ્યુલેશન્સ દર્શાવે છે કે વ્યક્તિગત આયનો અને પાણીના અણુઓ સાંકડી જગ્યાઓની અંદર કેવી રીતે ફરતા હતા. મોટાભાગની સિસ્ટમોમાં, આયનો પાણીમાં મુક્તપણે મુસાફરી કરે છે. પરંતુ અહીં, ચેનલોની સાંકડીતા આયનોને અંદર જવા માટે મજબૂર કરે છે. માટીની સપાટી પર એક સ્થળથી બીજી જગ્યાએ કૂદકો મારતી એક જ ફાઇલ. આ ગતિ જીવંત કોષોમાં જૈવિક પટલમાંથી આયનો કેવી રીતે પસાર થાય છે તેની નજીકથી મળતી આવે છે, જે આ એન્જિનિયર્ડ માટી સિસ્ટમ અને પ્રકૃતિના પોતાના નેનોચેનલ્સ વચ્ચે સમાનતા તરફ સંકેત આપે છે.

આ આંતરશાખાકીય સંશોધનના પરિણામો મૂળભૂત વિજ્ઞાનને વટાવી જાય છે. પાણી શુદ્ધિકરણમાં, આવા પટલ ઔદ્યોગિક ગંદાપાણી અથવા દરિયાઈ પાણીમાંથી હાનિકારક આયનોને પસંદગીયુક્ત રીતે દૂર કરી શકે છે, જે વર્તમાન ડિસેલિનેશન પદ્ધતિઓનો ઓછો ખર્ચ, ટકાઉ વિકલ્પ પ્રદાન કરે છે. લેબ-ઓન-એ-ચિપ ઉપકરણો વધુ શક્તિશાળી, સંવેદનશીલ અને ઊર્જા-કાર્યક્ષમ બની શકે છે, ખાસ કરીને તબીબી નિદાન માટે. ઊર્જા તકનીકમાં, સમાન સિદ્ધાંતો વધુ સારી બેટરી, ઓસ્મોટિક પાવર જનરેટર અને આયનટ્રોનિક સેન્સર ડિઝાઇન કરવામાં મદદ કરી શકે છે જે ન્યુરલ કમ્યુનિકેશનની નકલ કરે છે.

તેમના તારણોના આધારે, સંશોધન ટીમ મીઠાની વધુ સાંદ્રતા અને અત્યંત બંધિયાર પરિસ્થિતિઓમાં આયન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરવાની કલ્પના કરે છે. આ ઈન્ટરએક્શન્સને વધુ ઊંડાણપૂર્વક સમજવાથી આગામી પેઢીના નેનોફ્લુઇડિક સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરવામાં મદદ મળી શકે છે જે કેન્દ્રિત રાસાયણિક અથવા જૈવિક નમૂનાઓને કાર્યક્ષમ રીતે અને ન્યૂનતમ ઉર્જા વપરાશ સાથે પ્રક્રિયા કરવા સક્ષમ હોય છે.

આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ વધુ ઊંડાણપૂર્વક આગામી પેઢીના નેનોફ્લુઇડિક સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરવામાં મદદ કરી શકે છે જે કેન્દ્રિત રાસાયણિક અથવા જૈવિક નમૂનાઓને કાર્યક્ષમ રીતે અને ન્યૂનતમ ઉર્જા વપરાશ સાથે પ્રક્રિયા કરવા સક્ષમ છે.

લેખકોની સંપૂર્ણ યાદી:

ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ટેકનોલોજી ગાંધીનગર, ભારત: ડૉ. વિશ્વભૂષણ ધલ, નમન ચંદ્રકર, અપર્ણા રાઠી, ડૉ. સુવિગ્ય કૌશિક અને પ્રોફેસર ગોપીનાથન કેલોન

યુનિવર્સિટી ઑફ કોલોરાડો બોલ્ડર, યુએસએ: ડૉ. યેચન નોહ

ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ટેકનોલોજી ભુવનેશ્વર, ભારત: સનત નલિની પલટાસિંઘ અને પ્રોફેસર સરોજ કુમાર નાયક

ઇન્ટરનેશનલ ઇબેરિયન નેનોટેકનોલોજી લેબોરેટરી, પોર્ટુગલ: ડૉ. શિવ શંકર નેમાલા અને ડૉ. એન્ડ્રીયા કાપાસો

નેશનલ તાઇવાન યુનિવર્સિટી ઑફ સાયન્સ એન્ડ ટેકનોલોજી, તાઇવાન

પ્રોફેસર લી-હસિએન યે

(रिलीज़ आईडी: 2182452) आगंतुक पटल : 65