معرفی کارآمدترین آرایش بسته‌‌بندی غلات و داروها توسط دانشمند ایرانی


کارآمدترین آرایش برای کنار هم‌ قرارگیری موادی از قبیل غلات و داروها چیست؟

گروهی از محققان دانشگاه ملی استرالیا به سرپرستی دکتر محمد سعادت‌فر، موفق به کشف روشی برای فرمول‌بندی کنار هم قرارگیری منظم ذرات کروی و تعمیم آن به حالت فیزیکی شدند. دکتر سعادت‌فر بیان می‌کند:

این دانش می‌تواند در ساخت آسمان‌خراش‌ها روی زمین‌های شنی، قرارگیری دانه‌ها در خاک و بسته‌بندی داروها و رهایش آن‌ها در بدن (دارورسانی) به کار رود. خاک و شن از فراوان‌ترین مواد موجود در دنیا هستند، غلات به میزان بسیار بالا در سیلوهای غول‌پیکر نگهداری می‌شوند و داروها اغلب به شکل قرص بسته‌بندی می‌شوند. با این حال ما هنوز دقیقا نمی‌دانیم که ساختار آرایشی این مواد هنگامی که در کنار هم قرار می‌گیرند، چگونه رفتار می‌کند!

sand pack model

اعضای گروه پژوهشی دکتر سعادت‌فر، متشکل از ریاضی‌دانان و فیزیک‌دانان بین‌المللی، با استفاده از سی‌تی‌اسکن با رزولوشن بالا بررسی کرده‌اند که ذرات کروی در هنگامی که در ظرفی ریخته می‌شوند، چگونه به نظمی طبیعی می‌رسند. مردم فکر می‌کنند که این آرایش کمترین جا را اشغال می‌کند؛ ولی آیا واقعیت نیز چنین است؟ دکتر سعادت‌فر می‌گوید:

اکنون ما باور داریم که سازوکار چگونگی تغییر از حالت نگه‌داری و بسته‌بندی نامرتب غلات به حالت مرتب را یافته‌ایم. هرگاه ذرات کروی مانند توپ فوتبال، بلبرینگ یا اتم‌ در یک فضای محدود کنار هم قرار گیرند، کارآمدترین آرایش قرارگیری و منظم‌ترین آن‌ها با نام «مکعبی وجوه مرکز پر» شناخته می‌شود. اتم‌های سدیم و کلر در بلور‌های نمک نیز چنین آرایشی دارند. در این آرایش، فضای خالی بین کره‌ها کمترین حالت ممکن است و بیش از ۷۴ درصد فضا پر خواهد بود.

FCC

حال‌ آن‌که وقتی کره‌ها را به‌صورت تصادفی در ظرفی بریزیم، آن‌ها به‌طور طبیعی این آرایش را به خود نمی‌گیرند و تنها ۶۴ درصد فضا را اشغال می‌کنند؛ بنابراین پیش‌فرض‌های مردم که قبلا بیان شد، منطبق با واقعیت نیست. این آرایش با نام کنار هم قرارگیری تصادفی شناخته می‌شود و نظم شکل بالا را ندارد.

البته این گروه تحقیقاتی پیش از این نشان داده بود که اشغال فضای ۶۴ درصدی هم بدون آرایش ریاضی یا به اصطلاح، تصادفی نیست. در حقیقت هنگامی که ذرات کروی به‌طور تصادفی در ظرفی ریخته می‌شوند، آرایشی به خود می‌گیرند که «چهاروجهی مرکز حجمی» نام دارد. دکتر سعادت‌فر می‌گوید:

پیش از این تصور می‌شد که کنار هم قرارگیری ذرات کروی به‌صورت طبیعی به شکلی کارآمدتر غیر ممکن است و نتایج آزمایشگاهی نیز این را تأیید می‌کردند. البته خیلی دشوار است که از آرایش طبیعی به‌سوی آرایش کاملا منظم حرکت کنیم. این امر نیازمند شکستن الگوهای نامنظم طبیعی و نیازمند نیروی مکانیکی قدرتمندی است. البته این نیرو باید با مقدار کاملا مشخصی وارد شود؛ نیروی کمتر یا بیشتر به آرایش منظم کریستالی منجر نخواهد شد.

closed packing

دکتر سعادت‌فر می‌گوید آرایش منظم‌تر در پیمانه کردن غلات در انجیل نیز ذکر شده است: 

پیمانه‌ای مناسب، فشرده‌شده، بیخته و لبریز به تو داده خواهد شد. زیرا هرگونه که برای مردم بسنجی برای تو نیز سنجیده خواهد شد. 

این آیه به‌ تمامی عملیاتی که ما در آزمایشگاه استفاده می‌کنیم، اشاره کرده است: پرس کردن و تکانش مناسب!  دکتر سعادت‌فر می‌گوید:

البته ما پا را فراتر گذاشته‌ایم و معادلات ریاضی این عملیات را ابداع کرده‌ایم. گروه ما از روشی نسبتا جدید در ریاضیات با نام Homology استفاده می‌کند تا تصویرهای سه‌بعدی پرتو ایکس در مقیاس وسیع را با کمک کامپیوتر تفسیر کند. باید توجه داشته باشیم که بهبود ۱۰ درصدی حجم اشغال‌شده توسط ذرات کروی، در مقیاس عظیم سیلوهای غلات یا تجهیزات گران‌قیمت داروسازی عدد قابل‌ توجهی خواهد بود. البته برای ذرات با اشکال متفاوت، معادلات ریاضی بسیار پیچیده‌تر می‌شود. وقتی بخواهیم سراغ توپ راگبی یا اسمارتیز برویم، کار بسیار بیشتری طلب می‌کند. می‌توانم بگویم برای چند سال آینده تنقلات محققان گروه من در آزمایشگاه، اسمارتیز خواهد بود!



منبع :زومیت