خلايا شمسية قابلة للتمدد

قام أحد الباحثين في جامعة ستانفورد بتطوير جهاز استشعار مرن حساس للغاية للضغط المطبق عليه بحيث يمكنه استشعار هبوط الذبابة عليه. ويحاول الباحث الآن أن يضيف إلى المستشعر القدرة على اكتشاف المواد الكيميائية وأنواع مختلفة من الجزيئات البيولوجية وكذلك جعله يعمل بنفسه باستخدام الخلايا الشمسية البوليمرية. الخلايا الشمسية المبتكرة ليست مرنة فحسب، بل قابلة للتمدد أيضًا - حيث يمكن تمديدها بنسبة تصل إلى 30% فوق طولها الأصلي دون أي خوف من فقدان كفاءتها.

وقال الباحث أستاذ الهندسة الكيميائية: "باستخدام الجلد الاصطناعي، يمكننا بشكل أساسي تقديم أي وظيفة نهتم بها". "لهذا السبب أسمي بشرتنا "البشرة الفائقة". إنه يتجاوز ما نعرفه بالجلد الطبيعي."

أساس الجلد الاصطناعي هو ترانزستور عضوي مرن يتكون من بوليمرات مرنة ومواد كربونية. ولإضافة القدرة على استشعار اللمس أيضًا، يحتوي الترانزستور على طبقة مطاطية مرنة رقيقة جدًا تتكون من شبكة كثيفة من الأهرامات المقلوبة. عند الضغط على هذه الطبقة يتغير سمكها وبالتالي يتغير التيار المار عبر الترانزستور. وتحتوي المستشعرات على كمية تتراوح بين مئات الآلاف وتصل إلى 25 مليون هرم في السنتيمتر المربع الواحد، حسب درجة الحساسية المطلوبة.

ومن أجل "استشعار" جزيء بيولوجي معين، يجب تغطية سطح الترانزستور بجزيء آخر يرتبط بالجزيء المستهدف عندما يتلامس الاثنان مع بعضهما البعض. يجب أن يبلغ سمك طبقة الطلاء نانومترًا أو اثنين.

ويشير الباحث إلى أنه "اعتمادًا على نوع المادة التي نغطي بها الترانزستور ونوع مادة أشباه الموصلات الموجودة في الترانزستور، يمكننا ضبط المستشعر حتى يتمكن من اكتشاف مواد كيميائية أو مواد بيولوجية محددة".

ونجح فريق البحث في إثبات المفهوم العلمي من خلال الكشف عن نوع معين من الحمض النووي. ويعمل الباحثون حاليًا على توسيع الطريقة حتى تتمكن من اكتشاف البروتينات واستخدامها لأغراض التشخيص الطبي. "يحتوي كل مرض، في معظم الحالات، على واحد أو أكثر من البروتينات المحددة المشاركة فيه - بروتينات تسمى المؤشرات الحيوية - والتي تشكل نوعًا من "الدليل الدخاني" أو إشارة مشبوهة للمرض، لذا فإن تحديد موقع هذه المؤشرات الحيوية سيسمح للأطباء بتحديد "تشخيص المرض بشكل فعال" ، يوضح الباحث. سيسمح النهج نفسه لأجهزة الاستشعار بالكشف عن المواد الكيميائية أيضًا، فمن خلال تعديل بنية الترانزستور "الجلد الفائق"، يمكن استخدامه للكشف عن المواد الكيميائية في البيئات السائلة أو الغازية.

وبغض النظر عن نوع المواد التي من المفترض أن تكتشفها أجهزة الكشف، فيجب عليها إصدار إشارات كهربائية لنقل المعلومات إلى مركز المعالجة، سواء كان الدماغ البشري أو الكمبيوتر. ومن خلال تشغيل الحساسات بالطاقة الشمسية، يكون توفير الطاقة المطلوبة أسهل من استخدام البطاريات أو توصيلها بالنظام الكهربائي، وهذا يسمح أيضًا بأن تكون الحساسات أخف وزنًا وأكثر قابلية للحمل. علاوة على ذلك، فإن تحضير الخلايا الشمسية القابلة للتمدد يفتح الباب أمام تطبيقات إضافية.

في المقال الذي نشر في المجلة العلمية المواد المتقدمةلقد أوضحوا كيف يمكن تمديد الخلايا في اتجاه واحد، لكن الباحث الرئيسي يشير إلى أنه منذ تاريخ النشر، أصبحت الخلايا قادرة على التمدد على محورين. تتكون الخلايا من بنى مجهرية متموجة تتوسع، مثل الأكورديون، عند تمددها. يتناسب القطب المعدني السائل مع السطح المموج للجهاز في حالتين - ممتدة ومتقلصة.

ويشير أحد الباحثين إلى أن "أحد التطبيقات التي يمكن أن تكون فيها الخلايا الشمسية القابلة للتمدد مفيدة سيكون في الأقمشة والألياف الخاصة بالزي الرسمي والملابس الأخرى". ويوضح الباحث أن "هناك مناطق في جسم الإنسان، مثل المرفق، تؤدي الحركة فيها إلى تمدد الجلد والملابس". "الجهاز الذي يتسم بالمرونة فقط، والذي يفتقر إلى القدرة على التمدد، قد ينكسر في مثل هذه الحالة. "ستكون القدرة على التمدد مفيدة لربط الخلايا الشمسية بالأسطح المنحنية، دون خوف من الكسر أو الطي، كما هو الحال في الأنظمة الخارجية للمركبات والعدسات والأشياء المستخدمة في التصميم والبناء. تستمر الخلايا الشمسية في توليد الكهرباء حتى في حالتها المتوترة بينما تتلقى تدفقًا مستمرًا من الكهرباء المستخدمة لنقل المعلومات من أجهزة الاستشعار.

يشير الباحث الرئيسي إلى أن Super Skin الذي يتم تطويره هو أكثر من مجرد تقليد ممتاز لجلد الإنسان؛ يمكن أن يسمح للروبوتات، أو الأجهزة الأخرى، بأداء أعمال تتجاوز قدرة جلد الإنسان على القيام بها.

يوضح الباحث: "من الممكن تخيل يد روبوتية يمكن استخدامها للمس سائل معين وتحديد علامات أو بروتينات محددة مرتبطة بأمراض مختلفة مع الإشارة إلى نوع المرض". "أو يمكن لمثل هذه اليد أن تلمس العرق المتقطر من شخص معين وتحدد ما إذا كان سكرانًا أم لا".

بالإضافة إلى ذلك، تمكن الباحثون من استبدال المواد المستخدمة في الإصدارات المبكرة من الترانزستور بمواد قابلة للتحلل. لن يكون نظام الجلد الفائق هذا أكثر تنوعًا وقوة فحسب، بل سيكون أيضًا أكثر صداقة للبيئة.

أخبار الدراسة