سال تولد :
1958
محل تولد :
ترکیه
اثر :
توسعه سامانههای نانومیکروفلویدیک با کاربردهای بالینی: جداسازی سلولهای نادر
زندگی در مسیر سلولهای نادر
در هر آزمایشگاه علمی، نقطهای وجود دارد که چشم انسان به تنهایی کافی نیست و برای کشف رازهای پنهان، باید با دقت و عمق بیشتری نگاه کرد. در همین نقطه، پژوهشگرانی هستند که با کنجکاوی و دقت، قادرند آنچه از چشم دیگران پنهان است را ببینند. یکی از این پژوهشگران مهمت تونر است و آنچه در ادامه میخوانید، داستان زندگی اوست؛ سفری که از کنجکاویهای ابتدایی در استانبول آغاز شد و مسیرش را به MIT و بیمارستان عمومی ماساچوست رساند. علاقه او به علم از سالهای تحصیل در مهندسی مکانیک شکل گرفت، زمانی که مسائلی فراتر از دنیای ابزار و چرخدندهها ذهنش را به خود مشغول کرده بود. بعد از آن، آشنایی با استادانی که نگاه تازهای به پرسشگری و حل مسئله داشتند، نقطه عطفی در زندگی او شد و مسیر پژوهشهای میکروسکوپی و مهندسی پزشکی را برایش هموار کرد.
بذر کنجکاوی
سال ۱۹۵۸، مهمت تونر در محلهای کوچک از استانبول به دنیا آمد. سالهای ابتدایی زندگیش چندان با علاقه به درس گره نخورده بود. او بیشتر دل به زمین فوتبال و تنیس داده بود و از هر فرصتی برای اسکی استفاده میکرد؛ ورزشی که به آن دسترسی آسانی نداشت. با وجودی که میل به ورزش بر کتاب و درس در او غلبه داشت اما بذر یادگیری مسائل علمی در خانه کاشته شده بود. به گفته او خانوادهاش همیشه علاقهمند به یادگیری بودند و پدر و مادرش تأثیر زیادی بر علاقه او به تحصیل و دانش داشتند. در آن روزهای ترکیه، دانشگاه خصوصی وجود نداشت و آموزشهای عالی رایگان بودند؛ فرصتی که به تونر امکان داد در استانبول آموزش باکیفیت و رایگان دریافت کند. همین زیرساختهای خانوادگی و اجتماعی، بستر تغییری شد که بعدها تونر را از دنیای ورزش به علم کشاند.
درجستوجوی راهی برای پزشکی
با وجودی که مهمت تونر دوست داشت جراح یا پزشک شود، در نظام گزینش سراسری ترکیه نمرهاش به آن نرسید و سر از رشته مهندسی مکانیک در دانشگاه فنی استانبول درآورد. همانجا بود که آشنایی با پروفسور استر و رمضان کلیچ، نگاهش را به علم عمیقتر کرد. آنها او را با این ایده که علم به معنی قدمگذاشتن به مکانهایی است که پیش از ما کسی به آن سر نزده است، با لذت کشف آشنا کردند. تونر که تا پیش از دانشگاه مانع اصلی حرکتش در سرزمین علم بیمیلی به درس بود، در همین سالها واقعاً عاشق درس خواندن شده بود. به گفته خودش، از دانشجویی معمولی به یکی از بهترینها در دانشگاه بدل شد و همین علاقه تازه، مسیر مهاجرت به آمریکا را هموار کرد. او به چند دانشگاه درخواست داد و سرانجام راهی MIT شد؛ جایی که رشته نوپای مهندسی پزشکی تازه شکل گرفته بود. این رشته برای تونر بهترین فرصت بود زیرا با وارد کردن مهندسی به عرصه سلامت، میتوانست به همان رویا نخستینش برای نقشآفرینی در پزشکی نزدیک شود. زمانی که مهمت تونر به MIT رسید، هنوز یک مهندس مکانیک بود. در همان روزهای نخست، با استادان بسیاری گفتوگو کرد تا آیندهاش را شکل دهد. در آن زمان، مهندسی پزشکی رشتهای بود که چندان جدی گرفته نمیشد. باوجود فضای سردی که این نگاهها بوجود آورده بود، تونر انتخابش را کرده بود. او میخواست کاری را انجام دهد که هم تازه باشد و هم تأثیری مستقیم بر پزشکی بگذارد. با استادان مختلف صحبت کرد، بیشتر آموخت و در نهایت تصمیم گرفت مسیر مهندسی پزشکی را دنبال کند. همین علاقه به سلامت بود که او را در برابر همه تردیدها و دلسردیها ثابتقدم نگه داشت و انتخابش را قطعی کرد.
دستهای راهنما
تونر دکتری خود را تحت راهنماییهای استاد ارنست کراواهو ، یکی از نخستین دانشمندان حوزه زیستسرمایی در MIT آغاز کرد. موضوع دکتری او نظریه تشکیل یخ درونسلولی بود؛ پژوهشی که برای نخستین بار نامش را در جامعه علمی مطرح کرد و بعدها شالوده کارهایش در زیستحفاظت شد. پنج سال همکاری با کراواهو، نهتنها پایه علمی محکمی برای او ساخت، بلکه به دوستی عمیقی انجامید که تا زمان درگذشت استاد ادامه یافت. همین پژوهشها نگاه او را به کاربردهای مهندسی در پزشکی بهویژه ترمودینامیک گره زد. پس از استادان دوران کارشناسی، کراواهو سومین کسی بود که مسیرش را دگرگون کرد. کمی بعد، همکاری با پروفسور مارتین یارموش و پروفسور رونالد تامکینز ، او را به بیمارستان عمومی ماساچوست و دانشکده پزشکی هاروارد رساند. از اوایل دهه ۲۰۰۰، تمرکز تونر به سوی میکروفلوئیدیک رفت؛ فناوریای که جریان ذرات را در کانالهای میکروسکوپی شبیهسازی میکند. این فناوری در خدمت مطالعه سلولهای نادری از جمله سلولهای بنیادی، جنینی و بهویژه سلولهای سرطانی در گردش خون قرار گرفت. او دریافت که این حوزه آیندههی سرنوشتساز دارد؛ چرا که با جداسازی سلولهای نادر، میتوان به پایش و تشخیص بهموقع بیماریهایی مانند سرطان و انتخاب داروی مناسب برای بیمار رسید.
ایدهها بهتنهایی زنده نمیمانند
سفر یک ایده تا تبدیل شدن به محصول، سفری پیچیده است. همه چیز از یک ایده شروع میشود و سپس آن ایده باید از نظرهای مختلف بررسی شود تا به مرحله نوآوری برسد؛ جایی که کارکرد اجتماعی آن روشن و امکان تبدیلش به محصول بررسی میشود. بعد از آن دشواری اصلی یعنی عبور از مرحله اختراع به تولید انبوه آغاز میشود. محصول باید هر بار با کیفیت بالا عمل کند، آزمونهای بالینی و مقررات را پشت سر بگذارد، در برابر رقابت بایستد و در مقیاس جهانی تولید شود. علاوهبر آن، این فرایند پرهزینه است و بیش از یک دهه زمان میطلبد. تونر که در سالهای آغازین پژوهش چندان به ثبت اختراع توجهی نداشت، با هشدار استادش رافائل لی، دریافت که بدون حمایت قانونی، هیچ ایدهای به محصول واقعی بدل نمیشود. امروزه بیش از صد پتنت به نام تونر به ثبت رسیده که بخش بزرگی از آنها مربوط به حوزه میکروفلوئیدیک است. برخی از این پتنتها به ساخت تراشههای میکروفلوئیدیک برای شناسایی و تحلیل سلولهای نادر اختصاص یافتهاند که امروزه در زمینههای گستردهای از جمله سلامت مغز، بازسازی بافت و زمینههای عصبیعروقی کاربرد پیدا کردهاند.
بازتاب تلاشها
پس از سالها تلاش و پژوهش، مهمت تونر چندین جایزه و تقدیرنامه علمی نیز دریافت کرده است. از میان فهرست طولانی جوایزش میتوان به جایزه گروه علمی AACR در سال ۲۰۱۰ اشاره کرد. گروه پژوهشی سرطان شناسی قفسه سینه، مرکز سرطان دانافاربر، این جایزه را به دلیل نشان دادن ارتباط جهشهای EGFR با پاسخهای درمانی به داروهای gefitinib و erlotinib و همچنین شناسایی دو سازوکار جدید مقاومت دارویی دریافت کرد. علاوهبر آن در سالهای قبلتر، مجله Popular Mechanics تونر را در میان برندگان جایزه Breakthrough Award معرفی کرد. در سالهای اخیر نیز، این پژوهشگر به دلیل توسعه دستگاههای نانو/میکروفلوئیدیک با کاربردهای بالینی برای جداسازی سلولهای نادر، در فهرست برگزیدگان جایزه مصطفی ۲۰۲۵ قرار گرفت. با این دستاوردها، تونر توانسته است نقطه عطفی در پیوند میان مهندسی و پزشکی ایجاد کند و پژوهشهایش راه تازهای را برای تشخیص و درمان بیماریها باز کند.
با گذشت سالها، تونر همچنان مسیر پژوهش را دنبال میکند، جایی که هر کشف کوچک میتواند پرسشهای بزرگتری به همراه داشته باشد. بیش از چهار دهه فعالیت علمی و تجربه تدریس دانشگاهی، تمرکز او را به حمایت از جوانان، ثبت پتنتها و فراهم کردن محیط برای تجاریسازی ایدهها و بررسی مسائل اخلاقی فناوریهای نو معطوف کرده است. علاقهمندیهای روزمره او، از ورزش و هنرهای تجسمی تا مطالعه تغییرات اقلیمی همچنان با پژوهشهایش گره خورده است و بخشی از راه او در مرزهای ناپیدای زیستپزشکی است. تونر باور دارد شکست و چالش همواره وجود دارد و مهم این است که بتوان وضعیت را تحلیل کرد، راهبرد چید و به جای نگاه به گذشته، به آینده متمرکز شد. به گفته او، کنجکاوی باید تقویت شود و ساختاردهی بیش از حد کاهش یابد تا با دادن اختیار عمل به جوانان، پیشرفتها خیلی سریعتر از قبل اتفاق بیفتند.
کانالهای مینیاتوری، دستاوردهای بزرگ
سفر پنهان در بزرگراه حیات
بدن، پارچهای بافته شده از میلیاردها سلول است؛ سلولهایی که مانند دانههایی منظم، یکییکی به میل انداخته شدهاند. در این میان همه چیز بهدرستی پیش میرود تا آن جایی که یک دانه جا بماند و همین یکی اگر به موقع دیده نشود، میتواند تمام بافت را از هم باز کند. داستان ما از یک سلول شروع میشود که همان دانه جامانده است. سلولی کوچک که از نظم خارج میشود و در سکوت، قوانین بدن را زیر پا میگذارد. در ابتدا، شاید تنها یک لکه نامحسوس در گوشهای باشد اما همین سلول نافرمان اگر بهموقع شناسایی نشود، با تکثیر بی رویه و ناهماهنگ با بدن، پایه گذار چیزی می شود که ما آن را سرطان مینامیم. این سلول، رفتاری فرصتطلب دارد و به محدوده خود قانع نمیماند. با گذر زمان، برخی از سلولهایش سوار بر جریان خون، راهی سفری برای گسترش قلمرو میشوند؛ پدیدهای که به آن متاستاز گفته می شود. خون، بزرگراهی با میلیونها مسافر است. گلبولهای سفید و قرمز، پلاکتها و غیره، همه و همه از اجزای این مایع قرمز رنگ هستند که بیوقفه در خدمت حیات قدم برمیدارند. در این شلوغی، آن تعداد اندک سلولهای سرطانی، مسافرانی ناخواسته هستند که با نقشههای شوم خود از تشخیص توسط سیستم ایمنی فرار میکنند. تشخیص چنین سلولهایی از میان انبوه جمعیت کار سادهای نیست؛ و اینجاست که علم دست به کار میشود.
گزارشگران آینده در دل خون
اهمیت شناسایی CTCها یا همان سلول های سرطانی در گردش که به ویژه در خون یافت می شوند، به تشخیص اولیه بیماری محدود نمیشود. این سلول های سرگردان از آینده صحبت می کنند و میزان تهاجمی بودن بیماری، احتمال بازگشت آن و نحوه پاسخگویی بدن به درمان را نشان می دهند. همین ویژگی، آن ها را به ابزاری ارزشمند برای تصمیم گیری های درمانی تبدیل کرده است. برای مثال، در بیماران مبتلا به سرطان پروستات پیشرفته، تحلیل ژنتیکی این سلول ها میتواند پیشبینی کند که بیمار به چه نوع درمانی بهتر پاسخ خواهد داد. یکی از این ژنهای مناسب برای بررسی، ژن AR است. ژن AR در حالت طبیعی، باعث تولید mRNAای میشود که در نهایت پروتئین گیرنده آندروژن را در سلولهایی از پروستات میسازد. این گیرنده یک پروتئین درونسلولی/هستهای است که پس از اتصال به هورمونهایی مانند تستوسترون فعال میشود و به سلول فرمان تکثیر میدهد اما در شرایط سرطانی، اوضاع متفاوت میشود. در برخی از این سلول ها، mRNA حاصل از ژن AR به شکلی غیرطبیعی برش میخورد و نوع تغییریافتهای به نام AR-V7 تولید میشود. این نسخه، گیرندهای میسازد که حتی بدون حضور تستوسترون نیز فعال است و فرمان تکثیر را بهطور مداوم صادر میکند. اگر AR-V7 در سلول سرطانی جداشده از بیمار شناسایی شود، میتوان پیشبینی کرد که بیمار ممکن است به درمانهای خاصی پاسخ ندهد. اطلاعات حاصل از این آزمایشات میتوانند به پزشکان کمک کنند تا درمانها را براساس ویژگیهای ژنتیکی خاص هر بیمار بهطور دقیقتری شخصیسازی کنند و از اتلاف زمان و هزینه جلوگیری کنند.
تشخیص به قیمت تاوان
پزشکان در شرایط بحرانی باید در کوتاهترین زمان ممکن و با بیشترین اطمینان، وضعیت سلامت بیمار را ارزیابی کنند. همچنین، پژوهشگران به دنبال شناسایی و بررسی هدفمند این سلولهای سرطانی پیش از هرگونه گسترش هستند؛ این درحالی است که ابزارهای رایج همیشه پاسخگو نبوده اند. یکی از متداول ترین روشهای سنتی استفاده از آنتیبادیها بوده است. آنتیبادیها مولکول هایی هستند که به گیرنده های ویژه ای روی سطح سلولهای سرطانی می چسبند و به این طریق آنها را برچسبدار می کنند. بر همین اساس سیستمهایی چون CellSearch طراحی شدند و تا مدتها به عنوان استاندارد طلایی محسوب می-شدند. در این روش، ابتدا آنتیبادیهای خاصی به ذرات ریز مغناطیسی متصل میشوند. درصورت وجود سلولهای سرطانی در نمونه خون، این آنتیبادیها به گیرندههای مشخصی روی این سلولها میچسبند و آنها را نشانهگذاری میکنند. به این ترتیب، بهواسطه اتصال این آنتیبادیها، سلولهای مدنظر دارای خاصیت مغناطیسی میشوند. در مرحله بعد، نمونه وارد دستگاهی میشود که در دیواره آن یک میدان مغناطیسی کنترلشده قرار دارد. این میدان مانند یک آهنربای هدفمند، سلولهای نشانهگذاریشده را به سوی خود جذب میکند. سایر سلولهای خونی شسته شده و از مجموعه خارج میشوند. بااینحال این فرایند با مشکلات زیادی از جمله یکسان نبودن گیرندههای سلولهای سرطانی مواجه است؛ زیرا برخی از این سلولها در جریان ورود به خون، دچار تغییراتی میشوند که منجر به کاهش یا از بین رفتن گیرندههای مورد نظر میگردند. از آنجا که این سیستمها کاملا به حضور این گیرندهها وابستهاند، این سلولهای تغییریافته از دید سیستم مذکور پنهان میمانند. روشهای دیگر مانند فیلترهای مکانیکی نیز سعی کردند از تفاوت اندازه و سختی سلولها استفاده کنند. با این حال این روشها اغلب با مشکلاتی مانند انسداد فیلتر و آسیب فیزیکی به سلولها همراه بودند. درواقع، ضعف مشترک این روشها این بود که یا بیش از حد به اطلاعات زیستی وابسته بودند، یا به قیمت آسیب به ساختار سلول، جداسازی را انجام میدادند. این ناکارآمدیها مسیر را برای ظهور نسل جدیدی از ابزارها هموار کردند.
شکارچیان حرفهای سرطان
در قلمرو علم زیستپزشکی، تحولی عمیق درحال وقوع است. اگر روزگاری تشخیص بیماریها با مشاهده علائم بالینی یا نمونهبرداریهای تهاجمی ممکن بود، امروز چشماندازی تازه با عنوان بیوپسی مایع در حال شکلگیری است؛ روشی که بهجای بریدن و برداشتن، تنها با مقداری خون میکوشد رازهای پنهان درون بدن را برملا کند. این فناوری بهدنبال شکار سلولها و مولکولهای نادری است که از درون تومورها، بافتهای ملتهب یا حتی دستگاه ایمنی، به درون جریان خون راه یافتهاند. در دل این پیشرفتها، تراشههای میکروفلوئیدیک جایگاهی ویژه یافتهاند. این تراشهها ابزارهایی کوچک هستند که میتوانند سیالاتی مانند خون را از درون کانالهایی به باریکی یک تار مو عبور دهند و در همین میان به جداسازی، تحلیل و بررسی عناصر مختلف آن بپردازند. از جمله نمونههای کاربردی این فناوری با تلاشهای مهمت تونر در اوایل دهه ۲۰۰۰ طراحی شدند. گروه او با ساخت تراشهای به نام CTC-Chip، تحولی در شناسایی سلولهای توموری سرگردان در خون ایجاد کردند. سطوح داخلی این تراشه با آنتیبادیهای اختصاصی پوشانده شدهاند. هنگام عبور آرام نمونه خون، سلولهایی که گیرنده این آنتیبادیها را روی سطح خود دارند _اغلب سلولهای توموری_ روی تراشه به دام میافتند؛ از سوی دیگر، سایر سلولهای خونی بدون درگیری عبور میکنند. برخلاف روشهای سنتی، این تراشه نیازی به برچسبزنی سلولها پیش از ورود به سیستم ندارد و با دقتی بالا میتواند سلولهای سرطانی را در میان میلیاردها سلول خونی شناسایی و به دام بیندازد.
با نیاز فزاینده به پردازش حجمهای بالاتر خون، گروه تونر نسخه پیشرفتهتری از این فناوری به نام CTC-iChip را توسعه دادند. CTC-iChip شامل یک فرایند چندمرحلهای برای جداسازی سلولهاست که دقت و بازده بالایی دارد. در مرحله اول، سلولها با کمک طراحی هوشمندانه کانالها و نیروی لختی در مسیرهایی مشخص آرایش مییابند. گویی قوانین فیزیکی، راهنمای پنهانی هستند که مسیر عبورشان را تعیین میکنند. بعد از آن، سلولهای غیر هدف از جمله گلبولهای سفید که از قبل با آنتیبادیهای مغناطیسی نشاندار شدهاند، در مرحلهای موسوم به مگنتوفورزیس با استفاده از میدان مغناطیسی از مسیر خارج میشوند. آنچه باقی میماند، سلولهای سرطانی هستند که بدون نیاز به برچسبزنی مستقیم، بهصورت زنده و دستنخورده جمعآوری میشوند. این ترکیب هوشمندانه از جداسازی فیزیکی و مگنتوفورزیس باعث میشود این سلولهای سرطانی به شکلی دقیق، سریع و در حجمهای بالا از نمونه خون جدا شوند، بدون اینکه به روشهای پیچیده و زمانبر نیاز باشد. این تحول، قدرت شناسایی توسط انسانها را افزایش داد و راه را برای تحلیلهای دقیقتر و شخصیسازیشدهتر هموار کرد. این یعنی، گامی دیگر به سوی پزشکیای که بیشتر میبیند و دقیقتر درمان میکند. نسلهای جدید تراشههای میکروفلوئیدیک اکنون علاوهبر کاربرد در جداسازی، میتوانند محیطی شبیهسازیشده از بدن را ایجاد کنند. این تراشهها آزمایشگاههایی مینیاتوری هستند که سلولها را زیر ذرهبین میبرند و واکنش آنها را به داروها بررسی میکنند. این یعنی دیگر سلول جدا نمیشود تا صرفا زیر میکروسکوپ دیده شود؛ بلکه با آن گفتوگو شکل میگیرد. هر سلول، داستانی دارد و فناوریهای نوین این امکان را میدهند تا داستانهایشان پیش از آنکه به فصلی تلخ تبدیل شوند، خوانده و مسیرشان تغییر پیدا کند.
کاروانهای مهاجم
در ادامه پژوهشها، تونر متوجه شد که همیشه پای یک سلول تنها در میان نیست. گاهی، سلولهای سرطانی به صورت گروهی حرکت میکنند. این ساختارهای شناور که با نام خوشههای سلولهای توموری شناخته میشوند، از قدرت تهاجمی بیشتری نسبت به سلولهای سرطانی منفرد برخوردارند. مطالعات نشان دادهاند که همین گروهی بودن، به آنها جسارت بیشتری برای نفوذ، فرار از ایمنی بدن و تصرف سرزمینهای جدید در بدن میبخشد. در این میان، پلاکتها نیز که زمانی سلولهای ایمنی و منعقدکننده خون شناخته میشدند، با پوشاندن خوشههای CTC و حفظ این سلولها، آنها را از شناسایی سیستم ایمنی پنهان و به فرارشان کمک میکنند. همه چیز نشان از این است که متاستاز یک حرکت انفرادی نیست. برای شکار این کاروانهای سرطانی، تراشههایی چون Cluster-Chip و PANDA پا به میدان گذاشتهاند؛ ابزارهایی ظریف و هوشمند که بدون نیاز به مواد شیمیایی یا برچسبهای خاص، خوشهها را همانگونه که هستند از خون جدا میکنند؛ بدون اینکه به ساختارشان آسیبی برسد. طراحی این تراشهها براساس ویژگیهایی مانند شکل خوشهها، اندازه و حجم آنها و حتی سرعت حرکتشان در جریان خون انجام شده است. ایجاد شرایطی که در آن هم سلولهای منفرد و هم ساختارهای پیچیده سلولی بدون آسیب استخراج شوند، میتواند تحلیلهای دقیق مولکولی را رقم بزند و انسانها را به این درک برساند که این سلولها چگونه از سیستم ایمنی فرار فرار میکنند.
پیشروی دنیای پزشکی
تا دیروز، میکروفلوئیدیک را فقط شکارچی سلولهای سرطانی میدانستند. امروزه این فناوری ریز و هوشمند، در میدانهای تازهای نیز ظاهر شده است. حالا همان تراشههایی که میتوانستند سلولهای سرطانی را ردیابی کنند، توان شناسایی سلولهای بنیادی، ذرات بسیار ریز میانسلولی مانند وزیکولهای خارجسلولی و حتی ویروسها را هم دارند. این فناوری چشمی تیزبین است که به خون و دیگر مایعات بدن دوخته شده و میتواند کوچکترین نشانهها را ببیند. با کمک نانوساختارها که با توجه به ابعاد کوچکشان دارای خصوصیات ویژهای هستند، دقت و کارایی این سیستمها بیشتر هم شده است. این پیشرفتها همچنان که به درمان بیماریها کمک میکنند، در درک بهتر گفتوگوی سلولها با هم و پیامرسانی میان آنها نیز دخیل است و حتی میتواند زودتر از آنکه بیماری علائمی نشان دهد، هشدارهایش را شناسایی کند. این ابزارها در حال حاضر در پژوهشها برای بررسی پاسخ ایمنی بدن یا تشخیص زودهنگام برخی بیماریهای عفونی آزمایش میشوند. هرچند هنوز به مرحله استفاده گسترده بالینی نرسیدهاند اما نویدبخشاند. دیگر لازم نیست منتظر علائم شدید بمانیم یا سراغ روشهای پیچیده و پرهزینه برویم. این تراشههای دقیق و ساکت، اطلاعات ارزشمندی در اختیار ما میگذارند؛ اطلاعاتی که میتوانند مسیر درمان را از همان آغاز، دگرگون کنند. همچنین موفقیتهای این فناوری به محیطهای آزمایشگاهی و بیمارستانی محدود نمیشوند. در سالهای اخیر، برخی از فناوریهای گروه تونر وارد مرحله آزمایشهای بالینی شدهاند و به¬صورت تستهای تشخیصی تجاری به کلینیکها راه یافتهاند. این ابزارها به پزشکان کمک میکنند تا با پایش دقیقتر وضعیت بیماران سرطانی تحت درمان، اثربخشی داروها را سریعتر ارزیابی و در صورت نیاز درمان را تنظیم کنند. پیشرفتهای میکروفلوئیدیک، بهویژه با تلاشهای پژوهشگرانی مانند تونر، مسیر را برای پزشکی شخصی باز کرده است؛ پزشکیای که در آن وضعیت زیستی هر بیمار بهطور ویژه بررسی و درمانی متناسب با همان فرد انتخاب میشود.
این فناوریهای نوین نشان دادند که چگونه ابزارهای کوچک میکروفلوئیدیک میتوانند در ابعادی بزرگ، زندگی انسانها را متحول کنند. در لابهلای قطرات خون، میان ذرات نامرئی و در دل ساختارهایی که شاید با چشم دیده نشوند، اثراتشان برای جان انسانها، بسیار دیدهشدنی است. پژوهشگران پلی ساختند میان زیستشناسی و مهندسی که آینده پزشکی را شکل میدهد؛ پزشکیای که در آن، هر سلول قصهای برای گفتن دارد. در دنیایی که درمان باید خاص هر فرد باشد، شاید کلید این مسیر در خواندن همین داستانهای پنهان سلولها نهفته است که میتوانند سرنوشت درمان را تغییر دهند و زندگیها را نجات دهند.
سال تولد :
1979
محل تولد :
ایران
اثر :
طرح هش حساس به مجاورت و الگوریتمهای گراف در مقیاس وسیع
سفر یک ذهن کنجکاو در میان دادهها
سفر و جستوجوی ذهن هر پژوهشگر، شبکهای از سؤالها، تجربهها و آزمونهاست که مسیر علم را شکل میدهد. وهاب میررکنی این مسیر را از دفترچهای پر از مسائل در دوران کودکی آغاز کرد و سپس از کلاسهای مدرسه و مسابقات روباتیک به دانشگاههای معتبر جهان و آزمایشگاههای تحقیقاتی بزرگ رسید. تجربههای متعدد او نشان میدهد که پیشرفت علمی نه یک مسیر خطی، بلکه شبکهای از کشفها، آزمونها و تجارب متنوع است که همواره در تعامل با مسائل واقعی زندگی شکل میگیرد.
مسیر علمی او از کلاسهای مدرسه تا دانشگاه و تحقیقات صنعتی، همواره با کشف و چالش همراه بوده است. او در کلاسهای دبیرستان استعدادهای درخشان کرج ساعتها با دشوارترین پرسشها دست و پنجه نرم میکرد. مسابقات المپیاد و رقابتهای جهانی RoboCup، نخستین میدانهای رشد او بودند؛ جایی که آموخت اعتماد به نفس و کار تیمی، زیربنای هر موفقیت بزرگ است. هنوز هم روزی را به یاد دارد که گروهشان در اروپا مقام اول را کسب کرد. برای او، ارزشمندتر از مدالها، تجربه عمیق همکاری و خودباوری بود.
ورود به دانشگاه مسیر او را از آموزشهای معمولی جدا کرد و به دانشگاه صنعتی شریف راه یافت؛ جایی که پروژهها، مسابقات برنامهنویسی و روباتیک، عشقش به الگوریتمها را عمق بیشتری بخشید. این تجربیات، او را با راهحلهای خلاقانه برای مسائل پیچیده آشنا کرد. این عادت بعدها در پژوهشهایش به الگویی ثابت تبدیل شد: خرد کردن مسائل به بخشهای کوچک، تحلیل دقیق و بازسازی آنها در ابعادی نو. در همین دانشگاه بود که فهمید باید آیندهاش را در علوم نظری کامپیوتر بسازد؛ انتخابی که او را در سال 2005، به دانشگاه MIT در بوستون رساند. در میان ذهنهای درخشان، غرق در دنیای علوم نظری کامپیوتر شد؛ محیطی که نهتنها به او آموخت چگونه عمیقتر بیندیشد، بلکه به او یاد داد علم زمانی ارزشمند است که با زندگی واقعی پیوند بخورد.
راهی به سوی نوآوری در جهان
پس از فارغالتحصیلی از MIT، کار در آمازون و مایکروسافت ریسرچ برای میررکنی بهعنوان یک آزمایشگاه زنده عمل کرد؛ جایی که باید الگوریتمهای نظری را به راهحلهایی تبدیل میکرد که میلیونها کاربر روزانه با آنها سروکار دارند؛ اما مقصد اصلیاش گوگل ریسرچ بود؛ جایی که بیش از یک دهه در پروژههای بزرگ و در مقیاسهای عظیم فعال است. در اینجا با دادههایی کار میکند که گاهی به اندازه کل جمعیت زمین به هم مرتبط هستند. این تجربه مدام به او یادآوری میکند که علم زمانی معنا دارد که بتواند از دل تئوری، راهحلی برای واقعیت بیرون بکشد. او اکنون ریاست گروههای تحقیقاتی الگوریتمها در نیویورک را نیز بر عهده دارد. پروژههای او از الگوریتمهای بازار و بهینهسازی در مقیاس بزرگ تا گرافکاوی و پروژههای نسل جدید AI مانند Gemini AI گسترده است. دنیای هوش مصنوعی برای او همواره یک ماجراجویی تازه است. هر ماه مدلها و روشهای جدیدی معرفی میشوند که مرزهای تخیل دیروز را پشت سر میگذارند. آنچه بیش از همه او را شگفتزده میکند، توانایی سیستمها برای یادگیری و بهبود خودشان است؛ پدیدهای که سرعت پیشرفت را از هر نمودار خطی فراتر برده است. آیندهای که پیشتر با سالها فاصله قابل پیشبینی بود، امروز در عرض چند ماه دگرگون میشود. او این عدم قطعیت را نه تهدید، بلکه فرصتی ناب میبیند؛ فرصتی برای خلق ابزارها و ایدههایی که زندگی انسان را به شکلی عمیقتر با علم گره میزنند.
علم، محصول تلاش جمعی
میررکنی همواره بر این نکته تأکید دارد که هیچ موفقیتی واقعی نیست مگر آنکه با دیگران به اشتراک گذاشته شود. او معتقد است که دستاوردها نهتنها حاصل تلاش فردی، بلکه نتیجه همکاری، اعتماد و همفکری گروههای پژوهشی است. این فلسفه در مسیر علمی او نمود یافته و جایزه مصطفی(ص) در سال 2025 به پاس دستاوردش در طرح هشینگ حساس به محل بر اساس توزیعهای p-پایدار ، نمونهای برجسته از این دیدگاه است. از دیگر جوایز دریافتی او میتوان به بهترین مقاله کنفرانس ACM در تجارت الکترونیک در سال 2008، بهترین مقاله دانشجویی سمپوزیوم ACM-SIAM در سال 2005 و مدال طلای المپیاد انفورماتیک ایران در سال 1996 اشاره کرد. خانواده، دوستان، همکاران و تیمهای تحقیقاتی همگی نقش بسزایی در هر موفقیت این پژوهشگر داشتهاند و این دستاوردها نتیجه اعتماد و همکاری جمعی است. به همین دلیل او نیز بسیاری از الگوریتمها و کتابخانههای مرتبط با شبکههای عصبی گراف و دادهکاوی را بهصورت متن باز منتشر کرده است تا دیگران نیز بتوانند از آن استفاده کنند و مسیر پیشرفت علمی ادامه یابد. برای او، علم همیشه محصول تلاش جمعی است و هیچ دستاوردی بدون همراهی دیگران کامل نمیشود.
زندگی ورای الگوریتمها
زندگی میررکنی تنها در معادلات و الگوریتمها خلاصه نمیشود. از دوران نوجوانی که فوتبال و پینگپنگ بازی میکرد و لذت همکاری و رقابت دوستانه را میآموخت، تا امروز که شادیهای کوچک بازی با فرزندانش را قدر میداند، همواره تعادل میان علم، خانواده و جامعه را کلید رشد واقعی میداند. تجربه گذراندن وقت با بچهها و یادگیری متقابل با آنها، یکی از ارزشمندترین لحظات زندگیاش است و حسی از رضایت و شادی به او میدهد که هیچ موفقیت علمی نمیتواند جای آن را بگیرد.
در کنار فعالیتهایش در گوگل ریسرچ، میررکنی بهعنوان استاد مدعو در دانشگاه نیویورک در مؤسسه کورانت، الگوریتمها و اقتصاد اینترنت را تدریس میکند و به نسل جوان گوشزد میکند: «اکنون بهترین زمان برای ورود به عرصه تحقیق است. سرعت پیشرفتها در هوش مصنوعی فرصتی منحصربهفرد ایجاد کرده تا رویاهایتان سریعتر از همیشه به واقعیت تبدیل شوند؛ اما فراموش نکنید، اگر همه کارها را به هوش مصنوعی بسپارید، مغزتان فرصت رشد و تکامل را از دست خواهد داد.» او آیندهای را میبیند که در آن انسان و هوش مصنوعی در کنار هم مسائل پیچیده ریاضی را حل میکنند و الگوریتمها زندگی روزمره را در حوزههایی مانند پزشکی، علوم اجتماعی و فراتر از آن بهبود میبخشند.
داستان میررکنی نشان میدهد که کنجکاوی و تلاش فردی وقتی با همکاری و نوآوری پیوند میخورد، میتواند جهان را به حرکت درآورد. تلاشهای او در توسعه الگوریتمها و روشهای علمی، علاوه بر تأثیر در پیشرفت دانش، امکان استفاده کاربردی در پروژهها و پژوهشهای آینده را فراهم میکند و مسیر توسعه علمی را برای نسلهای بعدی هموار میسازد.
در جستوجو شباهت
تا به حال کتابی خواندهای که تمام شدنش حس پایان یک دوستی را داشته باشد؟ کتابی که نه فقط محتوایش، بلکه حالوهوایش، نثرش و چیزی ناپیدا در میان سطرهایش با تو حرف زده باشد. حالا تصور کن در جستوجو کتاب دیگری باشی که همان احساس را زنده کند. پا به کتابخانهای بزرگ با قفسه¬هایی نامنظم میگذاری. رمان، فلسفه، علم، تاریخ، همه و همه بدون دستهبندی مشخص در قفسهها قرار دارند. شروع به ورق زدن کتابها میکنی تا شاید حسی آشنا پیدا شود. با گذر زمان، خستگی توانت را میگیرد. کتابها زیادند و آنچه دنبالش هستی، بهراحتی با چشم و دست پیدا نمیشود. در نهایت، پشت یکی از رایانههای کتابخانه مینشینی. توضیحی از آن کتاب محبوب را مینویسی و حالا این خواسته انسانی، به مسئلهای ماشینی تبدیل میشود. در جهان کامپیوترها، چالش کمی پیچیدهتر میشود. این موتور جستجو، باید بین میلیاردها کتاب، دنبال کتابی مشابه خواستهات بگردد. چطور یک رایانه از میان این دریای داده، چیزهایی را پیدا میکند که از نظر معنا یا ساختار، به هم نزدیکاند؟ مهمتر از آن، چگونه میتواند این کار را سریع و دقیق انجام دهد، بیآنکه نیاز باشد همه دادهها را یکییکی بررسی کند؟ جواب این سوال در راهی است که به جای احساسات، از زبان اعداد و فرمولها برای فهمیدن شباهتها استفاده میکند؛ الگوریتمی مبتنی بر توزیعهای p-پایدار، که توسط پژوهشگرانی مانند وهاب میررکنی طراحی شده است تا رایانهها بتوانند بدون زیرورو کردن کل فضا دیجیتال، دادههایی مشابه را هوشمندانه و با سرعتی بالا شناسایی کنند.
شباهت به سبک عددها
شاید در نگاه اول، شباهت مفهومی ساده بهنظر برسد؛ اما زمانی که وارد دنیای دادهها میشویم، همین مفهوم ساده، شکلی دقیقتر و متفاوتتر به خود میگیرد. برای کامپیوترها، همه چیز صرفاً دنبالهای از عددهاست. یک عکس به شکل لیستی از عددهایی است که پیکسلها را نشان میدهند یا حتی یک صدای ضبط شده، نوسانات فرکانس در قالب ارقامی پشت هم هستند. وقتی پا در جهانی میگذاریم که همهچیز عدد است، شباهت هم باید بر مبنای این عددها تعریف شود. در چنین فضایی، اگر بخواهیم بدانیم دو چیز چقدر به هم شبیهاند، باید بفهمیم که چقدر از هم فاصله دارند. چون در منطق ماشین، هرچه فاصله بین دو مجموعه کمتر باشد، تفاوت آنها نیز کمتر میشود. به¬همین دلیل است که مفهوم فاصله به ابزار اصلی ما برای سنجش شباهت تبدیل میشود. البته اندازهگیری این فاصله، خود مسئلهای مهم است، زیرا راههای مختلفی برای محاسبه آن وجود دارد. برای اندازهگیری این نزدیکی از روشی موسوم به LPnorm استفاده میشود. این روش یک فرمول کلی دارد که با تغییر عددی به نام P، زاویه دید ما به مفهوم فاصله تغییر می¬کند. مثلا فرض کنید روی کاغذ دو نقطه رسم کردهاید و میخواهید فاصلهشان را اندازه بگیرید. اگر خطکش را طوری بگذارید که خطی صاف و مستقیم میان آنها رسم شود، درواقع کوتاهترین مسیر ممکن را اندازه گرفتهاید. این همان حالتی است که p برابر 2 درنظر گرفته میشود و در ریاضیات به آن فاصله اقلیدسی میگویند. حالا تصور کنید که برای رسیدن از یک نقطه به نقطه دیگر، فقط اجازه داشته باشید حرکتهای عمودی و افقی انجام دهید. در این حالت فاصله بین دو نقطه، با جمع کردن مقدار حرکت در هر مسیر افقی و عمودی بهدست میآید. این نوع محاسبه برای زمانی است که p برابر با 1 است و به آن فاصله منهتنی گفته میشود. در اصل عدد p مشخص میکند که سیستم به چه نوع تفاوتی بین دادهها بیشتر توجه کند.
خطکش کامپیوتری
حالا این مفهوم فاصله را به جهان دیجیتال وارد میکنیم، جایی که دادهها دیگر تصویر و صدا و جمله نیستند، بلکه بردارهایی از اعداد شدهاند. همان¬طور که پیشتر ذکر شد، در کامپیوتر نیز برای سنجش شباهت بین دو تصویر یا متن، فاصله میان بردارها اندازهگیری میشود. مثلاً وقتی یک موتور جستوجو باید تشخیص دهد که دو عبارت به یک موضوع اشاره دارند، یا وقتی برنامهای موسیقیمحور، آهنگهای مشابه را پیشنهاد میدهد، آنچه پشت صحنه اتفاق میافتد همین مقایسه بردارهاست. در این مسیر، بسته به اینکه هدف الگوریتم دقت بالا باشد یا سرعت بیشتر، میتوان از مقادیر مختلف p استفاده کرد. درصورتی که بخواهیم به تفاوتهای جزئی و دقیق توجه کنیم، مقدار 1p= انتخاب خوبی است، چون همهی اختلافها با وزن مساوی وارد محاسبه میشوند؛ اما اگر بخواهیم یک دید کلیتر داشته باشیم، مقدار 2p= مناسبتر است. این مقدار به رایانه اجازه میدهد تا با سرعت بیشتری، فاصله میان بردارها را تخمین بزند. نکته مهم این است که برای تمام مقادیر p≥1، فاصله LP یک متریک معتبر است و ویژگیهای ریاضیاتی مانند قانون مثلث را حفظ میکند اما اگر p<1 در نظر گرفته شود، هرچند میتوان همان فرمول را نوشت، نتیجه دیگر یک متریک واقعی نیست و قانون مثلث برقرار نمیماند؛ به همین دلیل چنین حالتی بیشتر در مباحث نظری یا کاربردهای خاص استفاده میشود. در علوم داده و یادگیری ماشین، به طور معمول با p≥1 کار میشود چون هم شهود آن سادهتر است و هم از نظر ریاضی خواص خوبی مانند قانون مثلث را دارد. با این حال پژوهشهای نوآورانهای مانند پژوهشهای وهاب میررکنی، امکان بهرهبرداری مؤثری از p<1 را فراهم کردهاند و حالا رایانهها، بهتر و سریعتر از همیشه میتوانند تفاوتها را ببینند.
میانبُر در شهر دادهها
هرچقدر هم روش خوبی برای سنجش شباهت بین دادهها داشته باشیم، باز هم با یک چالش بزرگ روبهرو هستیم. سرزمین دادهها بیانتهاست. میلیونها تصویر، متن، صدا و ویدیو در رایانه ذخیره شدهاند و اگر بخواهیم برای پیداکردن یک فایل خاص، همه این موارد را تکتک با هم مقایسه کنیم، زمان بسیار زیادی لازم خواهد بود. اینجاست که الگوریتمی هوشمندانه، حاصل تلاشهای افرادی از جمله میررکنی وارد ماجرا میشود. Locality-Sensitive Hashing یا بهاختصار LSH، روشی برای دستهبندی سریع دادهها است. در این الگوریتم، دادههایی که به هم شبیهاند، به راحتی در یک گروه قرار میگیرند؛ اما باوجود حجم بالای اطلاعات چطور چنین چیزی ممکن است؟ LSH از ترفند جالبی استفاده می¬کند. این روش بهجای مقایسه مستقیم بردارهای طولانی، آنها را با کمک الگوریتمهای ریاضی خاصی به نام توابع هش مخصوص، به بردارهایی کوتاه و خلاصهشدهای تبدیل میکند که هنوز اطلاعات مهم را حفظ میکنند. این مانند زمانی است که بهجای خواندن تمام یک کتاب، چکیدهای هوشمند از آن را دراختیار داشته باشیم که هنوز هم حالوهوای متن اصلی را منتقل میکند. LSH برای حفظ فاصله تقریبی بردارهای خلاصهشده، از ابزاری به نام توزیع Pپایدار استفاده می¬کند. این نوع توزیع، برداری تصادفی از عددها دراختیار ما قرار میدهد که با اعمال یکسری عملیات جبری با بردار اصلی، برداری خلاصه شده از داده ما حاصل شود. خاصیت جادویی این توزیع در این است که فاصله بین خروجیها، تقریب خوبی از فاصله میان دادههای اصلی میشود. یعنی ما میتوانیم بدون دست زدن به کل اطلاعات، با برداری کوتاه از هر داده، بفهمیم کدامیک به هم نزدیکترند. نکته دیگر در این است که بسته به اینکه چه نوع فاصلهای اندازهگیری خواهد شد، از توزیع Pپایدار خاصی استفاده میشود. برای مثال اگر فاصله اقلیدسی مدنظر باشد، باید بردارهای تصادفیمان را از توزیع Pپایداری به نام گاوسی انتخاب کنیم؛ چون این توزیع، برای محاسبه در زمان p=2 است. برای مقادیر دیگر p، توزیعهای مخصوص خودشان وجود دارند. به این ترتیب، میتوان با سرعت بالا دادههای شبیه را بدون نیاز به جستو¬جو طاقتفرسا دستهبندی کرد.
در این روش نو، دیگر نیازی نیست قالب دادهها را به کلی عوض کنیم یا آنها را در چارچوبهای پیچیده جا بدهیم. همین سادگی عمل است که به سرعتی حیرتانگیز منجر شده است. LSH در برخی آزمایشها تا 40 برابر از روشهای سنتی مثل kd-tree سریعتر عمل کرده و حتی در شرایط دشوارتر، مانند زمانی که p کمتر از 1 است، جستوجو را ممکن کرده است. خلاصهسازی هوشمند، این روش را به دستیاری باتجربه در مسیر شناخت تفاوتها تبدیل کرده است. در دنیای عددها و بردارها، شاید احساسی در کار نباشد اما میتوان شباهت را با سرعتی چندبرابر تشخیص داد.
روایت یک ذهن خورشیدی
سفری که علم را از خاک هند تا آسمان انرژیهای نو پیوند زد
در هند، جایی که پزشکی و مهندسی رویا مشترک بسیاری از کودکان است، پسربچهای در کلاسهای ابتدایی حیدرآباد آرامآرام مسیر دیگری را در ذهن خود ترسیم کرد. او میدید که پزشکی هرچند ارزشمند است اما تأثیرش به محدودهای کوچک منحصر میشود. همین انگیزه برای رشد و پیشرفت بیشتر، انتخابش را تغییر داد و شیمی را به راه تازه زندگیاش بدل کرد؛ تصمیمی که شاید برای بسیاری کوچک به نظر میآمد، پایه آیندهای متفاوت برای او شد. این داستان محمد خواجه نذیرالدین است؛ روایتی از انتخابهای پیدرپی و مسیری که هر انتخاب جدید، فصل دیگری از زندگیاش را رقم زد.
اولین معادلههای زندگی
محمد خواجه نذیرالدین در سال ۱۹۵۷ در هند به دنیا آمد و کودکیش را در تومبور گذراند. تنها پنج سال داشت که پدرش را از دست داد و خانوادهاش با سختیهای تازهای روبهرو شدند. در آن زمان، برادرش مسئولیت حمایت او را عهدهدار شد و علاوهبر آن محبت و تشویق معلمش او را در راه تحصیل، دلگرم نگاه میداشت. آغاز مسیر علمی نذیرالدین در دانشگاه عثمانیه حیدرآباد رقم خورد، جایی که برای دوره کارشناسی، ترکیب شیمی و زیستشناسی را برگزید. اگرچه تحصیل در رشتههای علوم پایه به معنای درک پایهای جهان هستی بود، برای او بیشتر شروع سفری شد که بعدها به خط مقدم فناوریهای انرژی پاک و سلولهای خورشیدی ختم گردید. پس از فارغالتحصیلی، نذیرالدین در آزمون ورودی مقاطع بالاتر شرکت کرد و در میان داوطلبان زیاد، توانست رتبه قبولی در دو رشته ژنتیک و شیمی را به دست آورد. هرچند به ژنتیک علاقه داشت اما در آن زمان این رشته در هند چندان مورد توجه نبود؛ به همین دلیل شیمی را ادامه داد. با تکمیل کارشناسی در سال ۱۹۷۸ و کارشناسی ارشد در ۱۹۸۰، تمرکز او به سمت شیمی معدنی معطوف شد؛ شاخهای که به مطالعه ویژگیها و واکنشهای تمامی عناور و ترکیبات غیر هیدروکربنی میپردازد. در سال 1986، او با راهنماییهای استادش دکتر تقیخان، دوره دکتری خود را در همان دانشگاه عثمانیه به پایان رساند؛ نقطه عطفی که او را رسما وارد دنیای تحقیق و پژوهش کرد. همزمان در همان سالها، نذیرالدین بهعنوان همکار پژوهشی در مؤسسه تحقیقاتی مرکزی نمک و مواد شیمیایی دریایی بهاونگر نیز فعالیت میکرد و نخستین گامهای حرفهای خود را در عرصه تحقیقات کاربردی برداشت.
انتخابهای سرنوشت ساز
نذیرالدین در سال 1985، مدرس دانشکده مهندسی و فناوری دکن در دانشگاه عثمانیه شد. او درهمان حوالی خیلی زود دریافت که ماندن در همان موقعیت، نمیتواند پاسخگوی عطشش برای پیشرفت باشد. تشویقهای دکتر تقیخان، این پژوهشگر را به سمت اقدام برای بورسیه تحصیلی سوق داد. دغدغه اصلی نذیرالدین یافتن راههایی برای تولید آمونیاک با هزینه و دمای کمتر بود؛ موضوعی که برای کشاورزی در هند اهمیت فراوان داشت. با همین ایده در مصاحبهای در دهلی شرکت کرد و پس از دریافت بورسیه، درخواستهای خود را به دانشگاههای مختلف جهان ارسال کرد. سه استاد برجسته، Bill Gibson از دانشگاه Imperial لندن، Cotton از دانشگاه تگزاس در آمریکا و Michael Gratzel از EPFL سوئیس، خواستار همکاری با او شدند. درنهایت، نذیرالدین راه Gratzel را انتخاب کرد چرا که باور داشت جوانتر بودن او به معنای جسارت بیشتر در ایدهپردازی و زمینهای بهتر برای رشد خواهد بود. به این ترتیب این پژوهشگر برای دوره پسادکتری به EPFL رفت. در گروه Michael Gratzel دو موضوع انرژیهای تجدیدپذیر و کاتالیز وجود داشت و همین باعث تغییر هدف نذیرالدین به سمت انرژیهای تجدیدپذیر شد. نذیرالدین کار خود را در ابتدا در نقش پژوهشگر پسادکتری آغاز کرد و طی سالهای بعد، در سمتهای دیگر به فعالیت ادامه داد. او در سال 2009 به مدت 5 سال استاد تمام دانشکده شیمی مواد پیشرفته در دانشگاه کره بود و از 2012 تا 2022 در جایگاه استاد تمام گروه مهندسی مولکولی مواد کاربردی در دانشگاه EPFL قرار داشت. این سالها، زمینهساز تمرکز او بر فناوری شدند که امروزه محور اصلی کارش را تشکیل میدهد: سلولهای خورشیدی پروسکایت. تمرکز او بر پروسکایت بهعنوان مادهای نوظهور در سلولهای خورشیدی، بخشی از تغییر نگاه جهانی به انرژی خورشیدی را رقم زده است. این ماده کریستالی از اوایل قرن بیستم شناخته شده بود و در سالهای اخیر توجه ویژهای به دلیل خواص استثناییاش در تبدیل انرژی خورشیدی جلب کرده است. سلولهای خورشیدی پروسکایت نسل جدیدی از فناوریهای انرژی پاک به شمار میروند که بازدهی بالا، هزینه تولید پایین و سهولت ساخت را به همراه دارند. تمرکز محمد نذیرالدین بر این فناوری، بخش مهمی از تلاشها برای توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر است.
ردپا در آمار و اعتبار جهانی
محمد نذیرالدین تاکنون بیش از ۹۸۰ مقاله داوریشده در نشریات معتبر منتشر کرده و ۱۰ فصل کتاب و ۱۰۳ ثبت اختراع به نام خود دارد. سه پتنت اصلی او شامل رنگهای N3 و N790، روش دو مرحلهای رسوبدهی برای ساخت سلولهای خورشیدی پروسکایت و استفاده از پوشش مخصوص برای جلوگیری از نشت سرب در این سلولها بوده است؛ نوآوریهایی که سهم مهمی در پیشبرد فناوریهای خورشیدی داشتهاند. پژوهشهای او بیش از ۱۹۴ هزار بار مورد استناد قرار گرفته و شاخص h او به ۱۹۷ رسیدهاست؛ معیاری که جایگاه او را در میان پراستنادترین دانشمندان جهان قرار میدهد. نذیرالدین از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۴ همواره در فهرست پژوهشگران پراستناد ISI قرار داشته و بیش از ۴۵۰ بار برای سخنرانی درکنفرانسهای بین¬المللی دعوت شده است. همکاریهای او تنها به دنیای دانشگاهی محدود نمانده، بلکه با شرکتهای بزرگ صنعتی مانند Panasonic، NEC، TOYOTA-AISIN، TOYOTA-Europe Motors، Solaronix و ABENGOA نیز مشارکت داشته و بخشی از تحقیقاتش با حمایت آنها تامین مالی شده است. اهمیت کارهای او سبب شد تا در سال ۲۰۱۵، تامسون رویترز نام او را در میان ۱۹ ذهن علمی اثرگذار جهان قرار دهد. افزون بر این، نذیرالدین عضو انجمن شیمی اروپا، آکادمی علوم اروپا، انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا و آکادمی علوم تلنگانا است؛ جایگاههایی که نشاندهنده گستره تعاملات علمی او در سطح بینالمللی هستند. او همچنین تجربه عضویت در هیئت داوران و تحریریه چندین مجله معتبر علمی را دارد. این مسئولیتها، جایگاه مهم او را در نقد، بررسی و هدایت روندهای پژوهشی در حوزههای تخصصیاش بیش از پیش برجسته میکنند.
گواهی بر تلاش
محمد نذیرالدین در طول زندگی حرفهای خود، مجموعهای از افتخارات علمی را به دست آورده است. او تا کنون دستکم ۲۰ جایزه ملی و بینالمللی که هر یک تأییدی بر سهم او در توسعه دانش انرژیهای تجدیدپذیر، ساخت کمپلکسهای فلزی و بهویژه سلولهای خورشیدی پروسکایت به شمار میروند را ازآن خود کرده است. او این افتخارات را نتیجه تلاشهایش در زمینه مهندسی ترکیب پروسکایتها، اصلاح فصل مشترکتها و بهبود لایههای انتقال بار میداند؛ نوآوریهایی که منجر به ثبت بالاترین راندمانها در این فناوری شدند و نگاه تازهای به آینده انرژی پاک بخشیدند. از میان این افتخارات، برخی جوایز جایگاه ویژهای دارند. از جمله مهمترین جوایز نذیرالدین در سال ۲۰۲۱، جایزه بینالمللی خوارزمی در حوزه علوم بنیادی بود. او در ادامه، در سال ۲۰۲۵ از برگزیدگان جایزه مصطفی معرفی شد. این پژوهشگر، بورسیهها و جوایز متعددی در کشورهای مختلف، از جمله هند، ژاپن، برزیل و سوئیس نیز دریافت کرده است. هر یک از این تقدیرها، تصویری از تأثیر بر حوزهای هستند که امروزه یکی از حیاتیترین چالشهای بشر یعنی توسعه انرژی پایدار برای آیندهای سبزتر را نشانه گرفته است.
مسیر محمد نذیرالدین، مجموعهای از انتخابها و تجربهها را در خود جای داده است. او در مقاطع مختلف زندگی میان رشتهها و استادان گوناگون دست به انتخاب زد و هر بار همین انتخابها مسیر تازهای را برایش گشودند. از همان دوران دانشگاه عثمانیه و تردید میان ژنتیک و شیمی، تا تصمیم برای رفتن به سوئیس و کار در کنار Michael Gratzel و سپس تمرکز بر انرژیهای تجدیدپذیر و سلولهای خورشیدی پروسکایت، هر مرحله گرهی تازه در رشتهای بود که به کارنامهاش شکل داد. ورای اعداد و افتخارات، زندگی او نمونهای از پیوند میان علم و کاربردهای روزمره است. سرگذشت او نشان میدهد که پژوهش، بیش از آنکه به یک نقطه پایان برسد، سفری مداوم است؛ سفری که همچنان ادامه دارد و بخشهای تازهای برای نوشتن پیش روی او خواهد گذاشت.
انقلاب سلولهای خورشیدی پروسکایتی
رویای برق بیحد و مرز
همه ما بارها در شرایط قطعی برق قرار گرفتهایم؛ لحظاتی که دستگاههای سرمایشی از کار میافتند، چراغها خاموش میشوند و سکوت و تاریکی را با خود میآورند. شرایطی که ما را حتی از سادهترین نیازهای روزانه محروم میکند. این تجربههای تکرارشونده که در روزهای اخیر به امری رایج بدل شدهاند، وابستگی عمیق ما به برق و اهمیت دستیابی به انرژی را یادآور میشوند. این وابستگی، در حالی ادامه دارد که بخش عمدهای از انرژی برق هنوز از طریق سوزاندن سوختهای فسیلی تأمین میشود؛ منابعی که نهتنها محدود و رو به پایاناند، بلکه با تولید گازهای گلخانهای، آلودگی هوا و تشدید بحران اقلیمی، آسیبهای گستردهای به محیط زیست وارد کردهاند. بحرانهایی که سلامت انسان و آینده سیاره را تهدید میکنند. در پاسخ به این مشکلات، انرژیهای تجدیدپذیر و بهویژه انرژی خورشیدی بهعنوان جایگزینی پایدار و پاک مطرح شدهاند. انرژی خورشیدی یکی از پاکترین و در دسترسترین گزینههای جایگزین است که سالها مورد توجه قرار گرفته است اما فناوریهای رایج دسترسی به آن، با مسائلی نظیر هزینه بالا، پیچیدگی تولید و بهرهوری محدود روبهرو بودهاند. در چنین شرایطی، سلولهای خورشیدی پروسکایتی بهعنوان نسل جدیدی از فناوری خورشیدی، امیدهای تازهای را زنده کردهاند. این سلولها که از هزینهای کمتر و بازدهی بالاتر برخوردارند، توانستهاند محدودیتهای فناوریهای پیشین را به چالش بکشند و نگاهها را به سوی خود جلب کنند. پیرو این زمینه، پژوهشگرانی از جمله محمد نذیرالدین، در توسعه این فناوری نوظهور نقش داشتند و نویدبخش دستیابی به انرژی پاک، پایدار و در دسترس برای همگان هستند.
آجر قدیمی ساختمان سلول خورشیدی
وقتی درباره پنلهای خورشیدی حرف میزنیم، درواقع صحبت از واحدهای کوچکی به نام سلول خورشیدی است؛ سلولهایی که کنار هم چیده شدهاند تا انرژی نور خورشید را بگیرند و به برق تبدیل کنند. در نسل اول این فناوری، این سلولها از مادهای به نام سیلیکون ساخته میشدند. در این ساختار، یک سلول خورشیدی از دو نوع سیلیکون با خواص متفاوت تشکیل شده است. نوع اول یا همان n-type، با ناخالصی فسفر دارای الکترون اضافی میشود و اضافه شدن عناصری مثل بور به نوع دوم یا همان p-type، باعث کمبود الکترون در آن میشود. در سیلیکون نوع p به دلیل کمبود الکترون، جایگاههایی خالی با عنوان حفره ایجاد میشوند که خواستار پرشدن هستند؛ در نتیجه زمانی که این دو نوع کنار هم قرار گیرند، در ناحیه مرز بینشان، الکترونها از سمت n به p حرکت میکنند و حفرهها را پر میکنند. وقتی این انتقال الکترونها کامل شد، در اثر اختلاف بار ایجاد شده بین دو نوع سیلیکون، ناحیهای خاص به نام ناحیه تخلیه شکل میگیرد. این ناحیه تحتتاثیر میدان الکتریکی داخلی ایجاد شده، مانع عبور آزادانه بیشتر الکترونها میشود. در این زمان است که دیگر امکان عبور الکترون از این مسیر کوتاه میان n-type و p-type وجود ندارد. این میدان مانند یک نگهبان و مانع عمل میکند زیرا از ترکیب مجدد الکترونها و حفرهها جلوگیری میکند و در واقع یک مسیر جدید برای جریان یافتن الکترونها ایجاد خواهد شد. از این به بعد اگر انرژی ذرات نور باعث جدا شدن یک الکترون از مولکول سیلیکون شود، کمک میکند تا الکترون و حفره به سمت مسیرهای مخالف بروند و جریان برق شکل بگیرد. الکترونهای آزادشده، به سمت مدار بیرونی حرکت میکنند و پس از طی مسیر، دوباره به داخل سلول برمیگردند و با حفرهها ترکیب میشوند. این رفتوآمد مداوم، همان جریان الکتریکی است که از نور خورشید بهدست میآید.
قهرمانی به نام پروسکایت
سلولهای سیلیکونی برای سالها پایه و اساس پنلهای خورشیدی بودند؛ اما با وجود موفقیتهای فراوان، هنوز با محدودیتهایی از جمله بازده پایین، هزینههای بالا، پیچیدگی فرایند ساخت و استفاده از موادی کمیاب در طبیعت مواجه هستند. این محدودیتها راه را برای ورود فناوریهای جدید باز کردند و نسل جدیدی از سلولهای خورشیدی با نام سلولهای پروسکایتی وارد صحنه شدند. کلمه پروسکایت در اصل به نوع خاصی از ساختار بلوری با فرمول کلی ABX₃ اشاره دارد. ساختاری که در آن، A اغلب یک کاتیون آلی مثل متیلآمونیوم، B یک فلز مثل سرب و X یک هالوژن مانند ید است. گرچه عملکرد پایه این سلولها مشابه نوع سیلیکونی است، مواد تشکیل دهنده آنها به دلیل ساختار بلوری منظم و انعطافپذیری شیمیایی، قادرند نور را به خوبی جذب کرده و بارهای الکتریکی را به صورت مؤثری منتقل کنند.
زیر چتر افزودنی
همانقدر که پروسکایتها نویدبخش هستند، در مواجهه با رطوبت و گرما پایداری ساختارشان کاهش مییابد. این ویژگی، یکی از موانع اصلی برای تجاریسازی گسترده آنهاست و اینجاست که تلاشهای محمد نذیرالدین نمود پیدا میکند. برای مقابله با این چالش، رویکردهایی گوناگون مورد بررسی قرار گرفتهاند. از جمله، ترکیب ساختارهای دوبعدی و سهبعدی که علاوهبر مقاومت بیشتر در برابر نفوذ رطوبت، موجب افزایش پایداری عملکرد در طولانیمدت نیز میشود. در سلول¬های پروسکایت، شبکه بلوری در سه بعد گسترش پیدا میکند و ساختاری سهبعدی را شکل میدهد. در روش ذکر شده، با اضافه کردن گروههای فلوئوردار مثل فلوئورو-فنیل اتیل آمین و پنتافلوئورو-بنزیل آمین به لایه سطحی، این لایه را به ساختاری دوبعدی تبدیل میکنند. ساختار ایجاد شده آب گریز بوده و همانند سپری از تجزیه بخش اصلی سلول جلوگیری میکند. در پژوهشی دیگر، ترکیباتی مانند آلکیلفسفونیک اسید ω-آمونیوم کلراید معرفی شدند که بهعنوان پلهای مولکولی، لبههای بلورهای پروسکایت را به یکدیگر متصل میکنند و ساختاری یکپارچهتر و مقاومتر میسازند. این اصلاح سطح موجب شد سلولها حتی پس از یک هفته قرارگیری در رطوبت ۵۵٪، همچنان بیش از ۸۰٪ بازده اولیه خود را حفظ کنند، در حالی که نمونههای فاقد این پوشش بهسرعت عملکرد خود را از دست دادند. همچنین، پژوهشها نشان دادند که افزودن همزمان یک دوپانت مانند متیلآمونیوم کلراید (برای تنظیم ویژگیهای الکتریکی) و یک افزودنی مانند 1و3-بیسسیانومتیلایمیدازولیوم کلراید (برای بهبود کیفیت بلوری و شیمیایی)، موجب شکلگیری لایهای یکنواخت و پایدار از پروسکایت میشود. این همافزایی، نقش مؤثری در کاهش نقصها و افزایش عملکرد ایفا میکند. از سوی دیگر، استفاده از افزودنیهای فسفونیکاسید نیز به بهبود انسجام و نظم ساختار بلورهای پروسکایت کمک کرد. چنین بهینهسازیهایی، نهتنها بازدهی را از حدود ۹ درصد به بیش از ۱۶ درصد افزایش دادند، بلکه ثبات عملکرد سلولها را در شرایط رطوبت نسبی بالا بهطور چشمگیری بهبود بخشیدند.
الکترونها در تله انرژی
در مسیر افزایش بهرهوری و پایداری سلولهای خورشیدی پروسکایتی، درک دقیقتری از رفتار الکترونها و تراز انرژی لایهها نیز ضروری شد. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، سلول خورشیدی از چندین لایه تشکیل شده است که هرکدام نقش متفاوتی در تبدیل نور خورشید به برق ایفا میکنند. مهمترین این لایهها، لایه فعال است؛ جایی که نور جذب شده و الکترونها از اتمهای خود جدا میشوند تا جریان الکتریکی تولید شود. هر مادهای در این ساختار، دارای ترازهای مشخصی از انرژی برای الکترونهای خود است. اگر ترازهای انرژی بین لایهها مانند لایه جاذب و لایههای انتقال بار بهدرستی همتراز نباشند، الکترونها هنگام عبور انرژی از دست داده یا به دام میافتند. یکی از عوامل این گرفتاری، وجود تلههای انرژی است؛ نقاطی در ساختار ماده که بهدلیل نقص یا ناهماهنگی بلورها، الکترونها را به دام میاندازند و مانع از ادامه حرکت آنها در مدار میشوند. این پدیده باعث کاهش جریان، اتلاف انرژی و در نهایت افت بازدهی میشود. برای مقابله با این مشکل، راهکارهایی گوناگون ارائه شد. یکی از آنها نفوذ پلاسماهای غیرحرارتی به ساختار پروسکایتها بود که منجر به غیرفعال شدن تله¬های انرژی ناشی از نقصهای بلوری و بهینه سازی ترازهای انرژی شد. همچنین، تلاشهایی برای بهینهسازی ترکیب شیمیایی لایه فعال نیز انجام گرفت؛ از جمله آن، گروه محمد نذیرالدین با افزودن مقدار کنترلشدهای از یدید سرب (PbI₂) اضافی به لایه پروسکایت، موفق به تشکیل بلورهای منظم و یکنواختتر شدند؛ بلورهایی که تلههای کمتری داشتند و بازدهی بالاتری ارائه میدادند. نتیجه این اصلاحات، دستیابی به سلولهایی با بازده بیش از ۲۰٪ بود که حتی پس از قرارگیری در شرایط محیطی واقعی، بخش عمدهای از عملکرد خود را حفظ کردند. چنین پیشرفتهایی، نشان داد که رسیدن به ترکیب ایدهآل، تنها از مسیر شناخت عمیقتر و مهندسی دقیقتر رفتار بارهای الکتریکی میگذرد.
بلورهایی همگن با دغدغه سبز
در ادامه تلاشها برای بهینهسازی فرایندهای ساخت، نظیرالدین روی بهبود روشهای ساخت سلولهای پروسکایتی تمرکز کرده است. یکی از چالشهای ساخت این سلولها، ایجاد لایهای همگن و باکیفیت از ماده جذبکننده نور بود؛ مشکلی که در روشهای اولیهای مانند رسوبدهی یکمرحلهای بهدلیل رشد نامنظم بلورها، نمود پیدا میکرد. محمد نذیرالدین و همکارانش با معرفی روشی نوین بهنام رسوبدهی مرحلهای ، در مسیر بهبود این زمینه حرکت کردند. فرایندی دو مرحلهای که در آن ابتدا یک لایه از یدید سرب ایجاد میشود و سپس با قرارگیری در معرض محلول هالید آلی به پروسکایت تبدیل میشود. در این روش، امکان کنترل بهتر بر رشد بلورها، افزایش یکنواختی و بهبود کارایی نهایی سلول فراهم شد. سلولهایی که با این روش ساخته شدند، حتی پس از ۵۰۰ ساعت عملکرد خود را تا ۸۰٪ حفظ کردند. با این حال پیشرفت در عملکرد تنها بخشی از ماجراست. حفظ محیط زیست نیز به دغدغهای مهم در مسیر توسعه سلولهای پروسکایتی تبدیل شده است. یکی از چالشبرانگیزترین موضوعات، استفاده از عنصر سرب در ساختار این سلولهاست؛ فلزی سنگین و سمی که با وجود نقش کلیدی در افزایش بازده، نگرانیهایی جدی درباره ایمنی زیستمحیطی به همراه دارد. برای پاسخ به این چالش، پژوهشگران استفاده از ساختارهای کمسرب یا بدونسرب را نیز بررسی کردهاند و در بعضی موارد استفاده از قلع به جای سرب پیشنهاد شده است. هرچند این گزینههای جایگزین هنوز از نظر بازدهی به اندازه ترکیبات سربدار قدرتمند نیستند اما گامی مهم در پیوند عملکرد بالا و مسئولیتپذیری زیستمحیطی محسوب میشوند. گروه نذیرالدین در نهایت توانستند با استفاده از یک پوشش مخصوص از نشت سرب در این سلولها جلوگیری کنند.
به طور کلی، سلولهای خورشیدی پروسکایتی یک نوآوری اجتماعی هستند که امکان تأمین برق ارزان و قابل اطمینان در مناطق محروم، کاهش وابستگی جهانی به سوختهای فسیلی و ارتقای عدالت انرژی را فراهم میکنند. این دستاوردها با 12 سال قدمت، امکان توسعه این نسل جدید از سلولهای خورشیدی با قابلیتهای کاربردی و تجاری را فراهم کرده و مسیر تحقق سامانههای انرژی پایدار و در دسترس را هموار ساختهاند. همانطور که نذیرالدین میگوید :(مسیر زیادی را پیمودهایم. از بازدهی کمتر از 10 درصد به بازدهی 26 درصد رسیدهایم که این رقم بهطور رسمی تایید و در مقالات منتشر شده است. این پیشرفت بسیار بزرگی است. از نظر پایداری نیز پیشرفت قابل توجهی داشتهایم و حالا میتوان گفت که این سلولها پایدار هستند و برای ورود به بازار آمادهاند. با این حال چند سال دیگر طول خواهد کشید تا به کاربرد وسیع برسند. وقتی این اتفاق بیفتد، اغلب کشورهای در حال توسعه و توسعه نیافته میتوانند بهراحتی آن را بپذیرند، چون از نظر فناوری یک محصول کمتکنولوژی محسوب میشود.)