ابداع فرمول ریاضی جدید

محققان مؤسسه ملی فناوری و استانداردها (NIST) در آمریکا موفق به توسعه یک فرمول ریاضی جدید شده‌اند که می‌تواند تعداد ذرات معلق در یک محلول را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کند.

به گزارش ایسنا، در یک پیشرفت علمی قابل توجه که دقت اندازه‌گیری در حوزه‌های مختلف از نانودارورسانی تا محیط‌زیست را متحول خواهد کرد، پژوهشگران مؤسسه ملی فناوری و استانداردها (National Institute of Standards and Technology – NIST) آمریکا موفق به ابداع یک فرمول ریاضی جدید برای محاسبه دقیق غلظت ذرات معلق در یک محلول شده‌اند.

این روش جدید که در مقایسه با روش‌های مرسوم کنونی از دقت بسیار بالاتری برخوردار است، با در نظر گرفتن تغییرات اندازه ذرات، خلأ بزرگی را در روش‌های محاسباتی گذشته پر می‌کند. از این فرمول می‌توان برای اهدافی حیاتی مانند تحویل دوز دقیق دارو به بیماران، اندازه‌گیری مقدار ریزپلاستیک‌ها (نانوپلاستیک‌ها) در آب اقیانوس‌ها و اطمینان از سطح صحیح افزودنی‌ها در محصولات غذایی استفاده کرد.

کلید این نوآوری، در نظر گرفتن «توزیع اندازه ذرات» است، عاملی که در روش‌های قدیمی نادیده گرفته می‌شد و منجر به خطاهای قابل توجهی می‌شد. این فرمول جدید می‌تواند تحولی بزرگ در حوزه‌های حساسی مانند پزشکی (تحویل دقیق دارو)، علوم محیط‌زیست (اندازه‌گیری میکروپلاستیک‌ها) و صنایع غذایی ایجاد کند.

یافته‌های این تیم تحقیقاتی به سرپرستی «ناتالیا فارکاس» (Natalia Farkas)، پژوهشگر سابق NIST در مجله معتبر شیمی تحلیلی (Analytical Chemistry) منتشر شده است.

الیجاه پیترسن (Elijah Petersen)، مهندس NIST که در آزمایش این فرمول جدید مشارکت داشته، در این باره می‌گوید: این فرمول جدید پتانسیل آن را دارد که به پیشبرد کاربردهای فناوری نانو، از جمله در بسته‌بندی و نگهداری مواد غذایی و همچنین ساخت میکروچیپ‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی کمک کند. این فرمول با تصحیح یک سوگیری رایج که فرض می‌کند همه ذرات اندازه یکسانی دارند، روش‌های فعلی را بهبود می‌بخشد.

غلظت عددی ذرات (Particle Number Concentration – PNC) معیاری است که تعداد ذرات موجود در یک حجم معین از گاز یا مایع را اندازه می‌گیرد و معمولاً به صورت تعداد ذرات در هر سانتی‌متر مکعب بیان می‌شود.

یکی از روش‌های متداول برای یافتن غلظت ذرات معلق در یک محلول، استفاده از دو متغیر جرم کل ذرات در محلول و اندازه آن‌هاست. با این حال، اندازه ذرات می‌تواند متفاوت باشد؛ موضوعی که به عنوان «توزیع اندازه» (Size Distribution) شناخته می‌شود. روش‌های ریاضی کنونی زمانی خوب عمل می‌کنند که ذرات تقریباً یکنواخت باشند، اما وقتی ذرات به طور قابل توجهی در اندازه متفاوت هستند، می‌توانند نتایج نادرستی تولید کنند.

برای درک اهمیت توزیع اندازه، مسابقه‌ای را تصور کنید که باید تعداد آبنبات‌های داخل یک شیشه را حدس بزنید. اگر همه آبنبات‌ها اندازه یکسانی داشته باشند، مثلاً همه آن‌ها M&M باشند، می‌توانید با محاسبات سریعی تعداد کل آن‌ها را تخمین بزنید. اما اگر آبنبات‌ها اندازه‌های مختلفی داشته باشند، مثلاً کیت‌کت‌های معمولی و چند خوراکی دیگر در آن مخلوط شده باشد، در آن صورت به یک روش متفاوت و دقیق‌تر نیاز خواهید داشت.

فرمول جدید ارائه شده توسط NIST دقیقاً همین متغیر حیاتی، یعنی تغییرات در اندازه ذرات را برای ارائه نتیجه‌ای دقیق‌تر در نظر می‌گیرد.

برای آزمایش این فرمول، پژوهشگران آن را روی نمونه‌ای از نانوذرات طلا در آب اعمال کردند. دانشمندان NIST پیش از این، این نمونه‌ها را با استفاده از چندین روش آزمایشگاهی دقیق، مشخصه‌یابی کرده و اندازه‌گیری بسیار دقیقی از غلظت واقعی ذرات آن‌ها ارائه داده بودند. نتایج نشان داد در حالی که فرمول‌های قبلی غلظت عددی ذرات را حدود ۶ درصد بیش‌ازحد برآورد می‌کردند، فرمول جدید با دقت ۹۹ درصد و تنها با حاشیه خطای یک درصد، به مقدار واقعی اندازه‌گیری شده نزدیک بود.

در ادامه، پژوهشگران این فرمول را در یک مثال کاربردی‌تر نیز آزمایش کردند: یک عامل ضد کلوخه شدن (anti-caking agent) که در تولید مواد غذایی استفاده می‌شود. برخلاف نانوذرات طلا که توزیع اندازه نسبتاً محدودی دارند، ذرات این ماده از نظر اندازه بسیار متنوع بودند. در این مورد، برآوردهای فرمول جدید و قدیمی تا ۳۶ درصد با یکدیگر تفاوت داشتند که نشان‌دهنده میزان خطای قابل توجه روش‌های گذشته در مواجهه با ذرات غیریکنواخت است.

پیترسن در پایان تأکید کرد: روش‌های مختلفی برای محاسبه غلظت عددی ذرات وجود دارد. انتخاب فرمول صحیح می‌تواند تفاوت بزرگی ایجاد کند.

این دستاورد علمی، ابزاری قدرتمند و قابل اعتماد در اختیار پژوهشگران، مهندسان و متخصصان صنایع مختلف قرار می‌دهد تا با دقتی بی‌سابقه به جهان نادیده ذرات نگاه کنند.

*