ونجح علماء المعهد في دمج فوتونين منخفضي الطاقة في جسيم واحد عالي الطاقة
يمكن لضوء الشمس أن يوفر كافة احتياجات البشرية من الطاقة، لكن الطاقة الشمسية لا تزال تشكل جزءًا صغيرًا من إجمالي سوق الطاقة العالمية. إحدى العقبات المهمة في هذا المجال هي عدم الكفاءة. على سبيل المثال، عندما تقوم الخلايا الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، يتم فقدان معظم الطاقة: يتم إهدار حوالي ربع الطاقة لأن الخلايا لا يمكنها امتصاص جزيئات الضوء، التي تسمى الفوتونات، فقط فوق عتبة معينة من الطاقة. يتم هدر جميع الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة مما يقلل من كفاءة الخلية ويزيد من تكلفة إنتاج الطاقة.
أحد الحلول الممكنة هو تحويل فوتونين منخفضي الطاقة إلى جسيم واحد عالي الطاقة، والذي سيتم امتصاصه بواسطة الخلية الشمسية، لكن هذه العملية تمثل تحديًا كبيرًا. مثلما أنه من الأسهل كسر المزهرية إلى قطع بدلاً من تجميعها مرة أخرى، كذلك من الأسهل كسر جسيم بدلاً من دمج جزيئين في جسيم واحد. ومن الصعب بشكل خاص الحصول نتيجة لهذه العملية على فوتونات ذات لون معين، أي ذات مستوى طاقة معين. والآن طور علماء معهد وايزمان طريقة مبتكرة للتغلب على هذه الصعوبة. وأجرى البحث، الذي نُشر في مجلة Nature Nanotechnology، البروفيسور دان أورون وطالبا البحث زفيكا دويتش وليور نامان، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة.
وبمساعدة العمليات الكيميائية المعتمدة على المحاليل، قام العلماء ببناء بلورات نانوية على شكل عصي يبلغ طولها حوالي 50 نانومتر (جزء من المليار من المتر). وللتوضيح، في المساحة التي تشغلها النقطة في نهاية هذه الجملة، يمكن إدخال حوالي مليار من هذه البلورات. يوجد في أحد طرفي الأنبوب النانوي إلكترون يمتص الفوتونات واحدة تلو الأخرى. في المرحلة الأولى، يتم إثارة الإلكترون بواسطة فوتون واحد، ثم يتم دفعه إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة الفوتون التالي. وبذلك يصبح إلكترونًا عالي الطاقة، ينتقل إلى الطرف الآخر من الحزمة، حيث يصدر فوتونًا ذو طاقة أعلى من أي فوتون من الفوتونات الممتصة.
وبهذه الطريقة تمكن العلماء من تحويل فوتونين أحمرين، ذوي طاقة منخفضة نسبيًا، إلى فوتون واحد أخضر ذو طاقة أعلى. في الواقع، يمكن ضبط النظام على أي لون تقريبًا: فهو يتيح مرونة كبيرة، لأنه يمكنك التحكم في خصائص النانوماكلونات عن طريق تغيير قطرها.
ولمساعدة البلورات النانوية على الانتقال من المختبر إلى الصناعة، يحاول العلماء الآن زيادة كفاءة النظام، وتحقيق تحكم أفضل في ألوان الفوتونات. في المستقبل، قد يكون من الممكن استخدام هذه الأنواع من البلورات مع مواد أكثر شيوعًا، مثل السيليكون، المادة التي تُصنع منها معظم الخلايا الشمسية التجارية. ولا يمتص السيليكون الفوتونات من مستوى الأشعة تحت الحمراء وما دونها، وقد يكون من الممكن التقاط هذه الفوتونات بمساعدة البلورات النانوية.
التركيز على الوقت
عندما يتعلق الأمر بأبحاث الدماغ، فإن مصطلح "التنوير" قد يكون له عدة معانٍ. يمكن إجراء الأبحاث التي تلقي ضوءًا جديدًا على نشاط الدماغ باستخدام "طرق مضيئة" - تلك التي تتضمن تحفيز الخلايا العصبية في الدماغ، الخلايا العصبية، باستخدام شعاع ضوئي. على سبيل المثال، يمكن توجيه شعاع من الضوء إلى الخلايا العصبية الفردية لمعرفة الخلايا العصبية الأخرى التي تتواصل معها. وفي النهاية، يمكن للعلماء أن يكتشفوا بهذه الطريقة شبكات كاملة من الخلايا العصبية المسؤولة عن جميع وظائفنا، من الذكريات والعواطف إلى الحركات والسلوكيات.
وعلى الرغم من أنه من الممكن دراسة هذه الشبكات باستخدام الأقطاب الكهربائية، إلا أن شعاع الضوء أقل توغلاً، ومن الأسهل نقله من مكان إلى آخر. المشكلة الوحيدة هي أنه عندما يتم توجيه الشعاع إلى منطقة عميقة داخل الدماغ، فإنه يضيء المنطقة بأكملها، وليس فقط الخلية العصبية المستهدفة.
وفي دراسة أجريت بالتعاون مع علماء من فرنسا، وجد البروفيسور دان أورون وأعضاء مجموعته حلاً لهذه المشكلة. وكما ورد في مجلة Nature Photonics، فقد تمكنوا من تحفيز الخلايا العصبية العميقة داخل أنسجة المخ - وهي طبقة من دماغ الفأر يتجاوز سمكها 200 ميكرون - باستخدام نبضات قصيرة من الليزر. ضمت مجموعة البروفيسور أورون الطالب الباحث بن ليشم وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور أوسيب شوارتز من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة. وتعاونوا مع مجموعة الدكتورة فالنتينا إميلياني من جامعة باريس ديكارت - الدكتورة إيريني باباجياكومو وأورليانز بيجا - ومع زملائها الدكتور براندون ستيل والدكتور جوناثان برادلي.
واعتمد البحث على طريقة تسمى "التركيز الزمني"، والتي تم تطويرها سابقًا في معهد وايزمان للعلوم. وكما يمكن تعلمه من اسمها، فهي تتعلق بالتحكم في التركيز الزمني لشعاع الليزر، وليس التركيز المكاني. وبهذه الطريقة، يتم إضاءة العينة بنبضات طويلة من الضوء، يتم تقصيرها عندما يصل الشعاع إلى الطبقة المطلوبة، حيث يسبب الإضاءة المطلوبة. ونتيجة لذلك، فإن الخلية العصبية المستهدفة فقط، والتي تم تصميمها وراثيا للاستجابة للنبضات القصيرة، ولكن ليس للنبضات الطويلة، هي التي يتم استثارتها. وعلاوة على ذلك، مع هذا الأسلوب، يتم إضاءة الخلايا العصبية بشكل موحد، ويتم تحديد حدودها بشكل حاد. الحدة ممكنة لأن التركيز في الوقت المناسب يقلل بشكل كبير من تشتت الضوء داخل أنسجة المخ. بعض الفوتونات متناثرة بالفعل، لكنها لا تتداخل مع الإثارة لأنها لا تصل إلى أنسجة المخ في الوقت "المناسب"، أي أثناء إضاءة الخلية العصبية المستهدفة. تتيح هذه الطريقة دقة استثنائية بفضل قصر طول النبضات، التي تدوم حوالي مائة فيمتوثانية فقط (كل فيمتوثانية هو جزء من مليون من مليار من الثانية).
باستخدام هذه الطريقة، سيكون من الممكن دراسة الشبكات العصبية عن طريق إثارة الخلايا العصبية الفردية بنبضات ليزر قصيرة.
