ويمكن لهذه الخلايا الصغيرة أن توفر الطاقة لأجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة السمع، والأطراف الاصطناعية
طور باحثون من جامعة جورجيا في الولايات المتحدة الأمريكية طريقة ناجحة لزراعة الشعيرات الجزيئية الموصلة للكهرباء، وهي خطوة أولى في تطوير خلايا الوقود البيولوجية التي يمكنها توفير الطاقة لأجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة السمع والأطراف الاصطناعية. وتصف المجلة العلمية "العلوم الكيميائية" الطريقة الجديدة بأنها "إنجاز كبير في مجال تكنولوجيا النانو".
نجح الكيميائي جيسون لوكلين من جامعة جورجيا وفريقه البحثي في تنمية شعيرات بوليمرية تتكون من سلاسل من الثيوفان والبنزين - وهي مركبات عطرية تستخدم غالبًا كمذيبات عضوية - متصلة بالأسطح المعدنية لتكوين طبقات رقيقة للغاية.
وقال الباحث الرئيسي: "السلاسل الجزيئية هي في الأساس سلاسل بوليمر مضغوطة للغاية نشأت من سطح معدني". "يشبه هيكل الطبقة نوعًا من فرشاة الأسنان، حيث تشبه سلاسل البوليمرات المترافقة شعيرات الفرشاة. نحن نسمي هذه الأنواع من الطلاءات فرش البوليمر. ومن أجل جعل السلاسل معبأة بكثافة في مصفوفة واسعة النطاق، يجب أن تنمو من السطح نفسه - وهي طريقة نسميها نهج "التجميع من الداخل".
في هذا النهج، وضع العلماء طبقة أحادية من الثيوفان كطبقة أولية للطبقة، ثم "نماوا" طبقات إضافية من الثيوفان أو البنزين فوقها باستخدام طرق البلمرة الخاضعة للرقابة.
ويوضح الباحث أن "جمال أشباه الموصلات العضوية يكمن في حقيقة أن خصائصها تتغير تبعا لحجم وعدد وحداتها الهيكلية". ويشير الباحث إلى أن قطعة الثيوفان نفسها معزولة، "ومع ذلك، من خلال ضم العديد من شظايا الثيوفان معًا بطريقة خاضعة للرقابة، يتم الحصول على خصائص موصلة للبوليمرات".
والأهم من ذلك، كما يقول الباحث، أن "هذه الطريقة تتيح لنا الحصول على هياكل دورية ومتحكم فيها من البوليمرات، مما يفتح المجال أمام إمكانيات استخدامات متنوعة في الأجهزة الكهربائية مثل أجهزة الاستشعار والترانزستورات والصمامات الثنائية". وتتراوح سماكة الطبقات الرقيقة بين خمسة وخمسين نانومترا، وهي صغيرة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها، حتى تحت مجهر ضوئي قوي.
ويوضح الباحث أنه من الصعب تسخير مصادر الطاقة الموجودة في الجسم الحي، مثل الجلوكوز، لاستخدامها في خلايا الوقود البيولوجية التي يمكن أن تحل محل الحاجة إلى البطاريات الموجودة في الأجهزة المزروعة في الجسم. وعلى الرغم من أن البشر لديهم إنزيمات في الجسم تمكن من تحويل الطاقة الكيميائية بشكل ممتاز إلى طاقة كهربائية، "إلا أنهم ليسوا فعالين بما يكفي لهذا التطبيق لأن لديهم وحدات حماية عازلة كهربائيًا طبيعية تمنع التنقل الجيد للإلكترونات من الموقع النشط إلى القطب الكهربائي، " هو يوضح. "نأمل أن توفر أسلاكنا الجزيئية وسيلة أفضل لتنقل تدفق الإلكترونات."
ويشير الباحث إلى أنه على الرغم من أن الإلكترونيات "المرنة" تعد مجالًا بحثيًا واسع النطاق يتطور أكثر فأكثر، إلا أنها لا تزال في بداياتها. "على سبيل المثال، ما زلنا لا نفهم كل الفيزياء الأساسية المتعلقة بحركة الشحنة الكهربائية داخل المواد العضوية."
والخطوة التالية في أبحاثهم هي تطوير التطبيقات المناسبة. على سبيل المثال، يمكن استخدام طريقتهم في إنشاء الشعر البوليمري في مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تخلق واجهة مع الأنسجة الحية، مثل أجهزة الاستشعار البيوكيميائية، والأطراف الاصطناعية، والأذنين المزروعتين، وأدوات السمع الفعالة. يوضح الباحث: "يمكن استخدام الطبقة نفسها في الترانزستورات - أو في الأجهزة الكهروضوئية مثل الخلايا الشمسية".
ونُشر البحث في عدد يونيو من المجلة العلمية Chemical Communications.
