چشم‌انداز پنجاهمین سالگرد: چشم‌اندازی بر محلول‌های پلی‌الکترولیت

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : از ابتدای حیات تا عصر حاضر پلیمرهای حاوی اطلاعات[1] با انبوهی از مواد ­برپایه آب در صنعت مراقبت­‌های بهداشتی و بیوتکنولوژی، پلی­‌الکترولیت­‌ها با طیف گسترده­ای از خواص ساختاری و عملکردی درهمه­‌جا یافت می‌شوند. ویژگی اصلی محلول­‌های پلی‌­الکترولیت این است که همه مولکول­ها هم از نظر توپولوژیکی[2] هم از نظر الکترواستاتیکی در زمینه خنثی‌­کنندگی یون­‌های باردار در حلالی که قابلیت قطبش بالا دارد، همبستگی قوی دارند. این همبستگی‌­های قوی و ضرورت استفاده از متغیرهای متعدد در پژوهش­‌هایی که برروی پلی­‌الکترولیت­ها انجام می­گردد، چالش­های بزرگی را برای درک اساسی رفتارهای مختلف سیستم­‌های پلیمری باردار ایجاد نموده است. این بررسی خلاصه ذهنیت نویسنده را از چندین پیشرفت مفهومی و چالش‌­های پایدار باقی­‌‌مانده در زمینه­‌های بار و اندازه پلیمرها، ساختارها در محلول­‌های همگن، ناپایداری ترمودینامیکی و انتقال فاز، تکامل ساختاری با پلیمرهای دارای بار مخالف، دینامیک در محلول­‌های پلی­‌الکترولیت، جداسازی فاز سینتیک، تحرک ماکرومولکول­‌های باردار بین محفظه­‌ها و پیامدهای سیستم­‌های بیولوژیکی را ارائه می­‌نماید.

نتیجه­‌گیری

بنابراین دنیای پلی­‌الکترولیت براساس انبوهی از اکتشافات دشوار (هم از لحاظ تجربی و هم از لحاظ تئوری) طی شش دهه گذشته چه چیزهایی آموخته است؟ این اعتقاد وجود دارد که پیشرفت فوق­‌العاده­ای در درک بسیاری از رفتارهای پیچیده پلی‌­الکترولیت­‌ها، همانطور که در بخش­‌های قبلی بحث شد، صورت گرفته است. دنیای‌پلی‌الکترولیت مفاهیم اساسی مختلف فیزیک پلی­‌الکترولیت­‌ها مانند غلبه یون­‌های مخالف را تقریباً در تمام جنبه‌های رفتار پلی­‌الکترولیت از قبیل تنظیم بار، رقابت همزمان بین آبگریزی و برهم‌کنش الکترواستاتیک، نیروهای کلیدی پنهان جدایی فازی مایع-مایع، دینامیک پلی­‌الکترولیت­‌ها و سینتیک انتقال در سرتاسر محفظه‌­ها را تشخیص داده است. بینشی که می­‌توان به راحتی از این مفاهیم پیشرفته ارائه نمود، در طراحی فرمولاسیون مواد هوشمند مبتنی­‌بر آب مانند هیدروژل­‌هایی با قابلیت جذب آب خیلی بالا، ذرات شبه ویروس با قابلیت توانایی تنظیم موزون برای انتقال ژن/دارو و … موثر بوده است.با این­حال راه درازی در پیش­بینی­‌های کمی برای سیستم­‌های پلی‌­الکترولیت پیش رو می­باشد. پژوهش‌­های بیشتر به منظور تسهیل اعتبارسنجی تئوری­های خوب نیز مورد نیاز است. به­‌ویژه نظریه و پژوهش­‌هایی برای پرداختن به نقش اثرات غیرخطی پواسون-بولتزمن (زمانی که میدان­‌های الکتریکی به اندازه کافی ضعیف نیستند)، اثرات قطبش‌­پذیری در اطراف زنجیره‌­های پلی‌الکترولیت،ساختار آب در محلول­‌های پر­ازدحام پلی‌­الکترولیت و نقش توالی­‌های ماکرومولکول­‌های باردار مورد نیاز است.با بازگشت به فرضیه شکل اولیه حیات که در بخش اول به آن اشاره شد، این اعتقاد وجود دارد که دنیای پلی‌­الکترولیت­‌ها درک کافی از نیروهای اساسی فعال در محلول­‌های ماکرومولکول­‌های باردار و نحوه جفت شدن آنها به صورت هم­‌افزایی[3] یا سرکوبگرانه[4] بین خود را به دست آورده است. این موضوع به خوبی آماده پیشرفت در دو جهت مهم می­‌باشد. اولین جهت پیاده ­سازی مفاهیم فیزیک پلی­‌الکترولیت برای درک سیستم­‌های بیولوژیکی از دیدگاه نانوسکوپی است. دومین جهت تقویت مفاهیم اساسی برای ساختن ابزار مصنوعی که یادآور ابزاری هستند که باید در شکل اولیه زندگی وجود داشته باشند.به‌­عنوان نمونه‌ه­ای از وضعیت اول، فیزیک پلی­‌الکترولیت­‌های مرکزی برای درک اساسی چگونگی انتقال ماکرومولکول­‌های باردار بیولوژیکی مانند RNA، DNA و پروتئین­‌ها از یک مکان به مکان دیگر در محیط­‌های بیولوژیکی می‌­باشد. یک سلول پستانداران، یک “سوپ کولن[5]” غلیظ است و ماکرومولکول­‌های باردار مختلف باید قبل از رسیدن به مقصد در فضاهای محدود حرکت نمایند تا ویژگی­‌های عملکردی خود را نشان دهند. این مکانیسم­‌های انتقال  و سیستم‌های ساختاری مختلف در محدوده بسیار باریکی از دما (ویژه یک گونه خاص) انجام می‌گردند. بنابراین، دما متغیر کلیدی در کنترل فرآیندهای بیولوژیکی نمی­‌باشد. درعوض انتروپی ساختاری پلیمرها، نیروهای‌الکترواستاتیکی که می­‌توانند توسط گرادیان­‌های موضعی در غلظت نمک و pH تعدیل شوند، انتروپی و ویژگی یون­‌های تفکیک شده و نیز انتروپی مرتبط با ساختار دائمی سازماندهی مجدد آب همگی به رفتار جمعی سیستم­‌های بیولوژیکی کمک می‌­نمایند. مفاهیم اساسی که در بخش‌های قبل مورد بحث قرار گرفت، به­‌طور کامل به شرح مرتبط با موارد کمی از فرآیندهای مختلف انتقال موارد مرتبط بیولوژیکی، پرداخته شده بود.به­‌طور کلی، فرآیند­های بیولوژیکی که امروزه شناخته شده‌­اند بسیار پیچیده و شامل نیروهای زیادی هستند که به طور همزمان عمل می­‌نمایند. با این وجود پیشرفت در درک فیزیک پلی­‌الکترولیت­‌های مصنوعی فرصتی برای شناسایی مفاهیم کلیدی در پس رفتار پیچیده ماکرومولکول­‌های بیولوژیکی در محیط­‌های پرازدحام سوپ کولن فراهم گردیده است.باتوجه به مسیر دومی که پیش رو می­‌باشد، فرصت‌های نامحدودی[6] وجود دارد. به‌­عنوان مثال آماده سازی  حساب­‌شده ترکیبات متابولیت با عمرطولانی[7]­ کمپلکس‌­های پلی‌­الکترولیت، گزینه­‌ای عالی برای طراحی ابزار ماکرومولکولی با قابلیت ذخیره­‌سازی حافظه می‌­باشد. شاید زمان حاضر، زمان مناسبی برای شروع به سنتز محرک‌­های[8] مولکولی ­بر پایه آب به منظور شناسایی سایر ماکرومولکول­‌های باردار و فرآیند آنزیمی آنها با استفاده از نیروهای‌‌الکترواستاتیک، ساختاری[9]، واندروالس و هیدرودینامیک باشد. آیا این محرک­های مولکولی از اولین پلیمرهای حیات با قابلیت به­‌خاطر­ سپردن[10] و تکثیر نمودن[11] خود، تقلید می­نمایند؟ چقدر زود می­توان به این اهداف رسید؟ فقط زمان پاسخگو است!

[1] Information- containing polymers

[2 Topological

[3] Synergistically

[4]  Antagonistically

[5] Coulomb soup

[6] Boundless

[7] Long-lived

[8] Engines

[9] Conformational

[10] Memorize

[11] Reprodu

Reference : Muthukumar M. 50th anniversary perspective: A perspective on polyelectrolyte solutions. Macromolecules. 2017 Dec 26;50(24):9528-60.

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی

هانیه میران موسوی