مستشعر حيوي كهروكيميائي لاستخدامات تطبيقية واسعة

علماء من «كاوست» وبريطانيا يطورونه لمجالات التقنية الحيوية والزراعة والطب

المستشعر الحيوي المطور يمكن إدماجه في بنية ترانزستور ميكروني الحجم
المستشعر الحيوي المطور يمكن إدماجه في بنية ترانزستور ميكروني الحجم
TT

مستشعر حيوي كهروكيميائي لاستخدامات تطبيقية واسعة

المستشعر الحيوي المطور يمكن إدماجه في بنية ترانزستور ميكروني الحجم
المستشعر الحيوي المطور يمكن إدماجه في بنية ترانزستور ميكروني الحجم

طرح باحثون من جامعة «كاوست» في السعودية تصورات جديدة تتعلق بتطوير مستشعر حيوي يرصد المركب الأيضي المعروف باسم «اللاكتات»، يتمحور تصميمه حول الجمع بين بوليمر ناقل للإلكترونات وإنزيم «اللاكتات أوكسيداز»، وهو الإنزيم الذي يُحفِّز أكسدة اللاكتات تحديداً.
ولأن اللاكتات قد ترتبط بحالات مرضية خطيرة، لذا فإن اكتشافها ورصدها يكتسب أهمية في مجال الرعاية الصحية. وعلى سبيل المثال نجد أن المستويات المرتفعة من مادة اللاكتات في الدم قد تكون مؤشراً على نقص الأكسجين أو على وجود حالات أخرى تسبب زيادة إنتاج هذه المادة أو إزالتها من الدم بصورة غير كافية. واللاكتات هي مادة حمضية في طبيعتها، تساعد على تفكك الغلوكوز، وبالتالي يستمر إنتاج الطاقة في الجسم.
أخيرا تمكَّنت الدكتورة شاهيكا إينال، الأستاذ المساعد في الهندسة الحيوية، قسم العلوم والهندسة البيولوجية والبيئية بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، ومجموعة من الباحثين المعاونين من كلية «إمبريال كوليدج لندن» وجامعة كمبردج بالمملكة المتحدة، من ابتكار مستشعر حيوي يمكن إدماجه في بنية ترانزستور ميكروني الحجم، بغرض اكتشاف المركبات الأيضية المطلوب دراستها.
وتنصبُّ الاهتمامات البحثية للدكتورة شاهيكا إينال على نقاط الالتقاء بين علم الأحياء والإلكترونيات، أو ما يُطلق عليه الإلكترونيات البيولوجية، وهي تتعامل مع مواد وأدوات إلكترونية عضوية يمكن أن تلبّي الاحتياجات الخاصة بالأبحاث ورصد الصحة الإكلينيكية والعلاج.
بشكل عام يرتكز أداء أجهزة الاستشعار الحيوية على نقل الإلكترونات فيما بين القطب الكهربي الحساس والإنزيم، إذ يزداد أداء المستشعرات مع تناقص المسافة بين المواقع النشطة للإنزيم وسطح القطب الكهربي. وقد بدأت إنزيمات الأكسدة والاختزال تصعد كمكونات نموذجية للمستشعرات الحيوية، نظراً لأن قدرتها على تحقيق عملية نقل الإلكترونات تعتبر مُكمِّلة لدقتها في الارتباط الموجّه وفي النشاط التحفيزي للعملية.
ولكن لا تزال الاستفادة من المستشعرات الحيوية محدودة من حيث المركبَّات الأيضية والبيئات المستهدفة بها... وقد أعاقَ هذا استخدام المستشعرات الحيوية في تطبيقات عملية في عدّة مجالات مثل التقنية الحيوية والزراعة والطبّ الحيوي. وعوضاً عن ذلك، ظلّ استخدامها الرئيسي مقصوراً على المستشعرات الحيوية الكهروكيميائية المختبرية التي تُستخدم في مراقبة الغلوكوز لدى مرضى السكري.
وكأساس للأداة التي تم تصميمها بهدف إثبات الفكرة، أجرى الباحثون مزاوجة بين إنزيم «اللاكتات أوكسيداز» وبوليمر الترانزستور الكهروكيميائي العضوي. هذا البوليمر الناقل للإلكترونات يعمل في الوقت ذاته كمحوِّل فعَّال ومكِّبر قوي للإشارات، إذ إنه يستطيع استقبال الإلكترونات من التفاعل الإنزيمي ثم يخوض عدّة تفاعلات اختزال من خلال عدة مواقع أكسدة واختزال نشطة.
كذلك فإن هذا البوليمر يحمل سلاسل جانبية محبّة للماء تعمل على تسهيل التفاعلات البينية داخل الجزيئيات مع إنزيم «اللاكتات أوكسيداز»، لتجعل الإنزيم أقرب إلى المادّة الناقلة للطاقة. ويؤدي هذا إلى تحفيز الاتصال الكهربي، ومن ثمَّ يرفع درجة حساسية البوليمر إزاء اللاكتات. كذلك، فإن هذه التفاعلات بين البوليمر والإنزيم تتجّنب التعديلات على سطح القطب الكهربي، وتَحول دون استخدام وسائط، وهو «ما يبسِّط تصنيع المستشعر» على حد قول إينال التي تشير أيضاً إلى أن هذا الجهاز - عكس المستشعرات الحيوية السابقة - لا تحتاج إلى قطب كهربي مرجعي، وهو ما يتيح المرونة في التصميم.



«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية
TT

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

في المستقبل، يمكن تغطية سيارتك الكهربائية بألواح شمسية -ليس فقط على السطح، ولكن في جميع أنحاء الجزء الخارجي من السيارة- بفضل طلاء خاص.

وسواء كنت تقود السيارة أو كانت متوقفة، يمكن لهذا الطلاء الشمسي حصاد الطاقة من الشمس، وتغذيتها مباشرة في بطارية السيارة الكهربائية. وربما يبدو الأمر وكأنه شيء من كتاب خيال علمي، إلا أن الباحثين في شركة «مرسيدس بنز» يعملون بالفعل على جعله حقيقة واقعة.

عجينة لطلاء شمسي

يقول يوشين شميد، المدير الأول لشركة «مستقبل القيادة الكهربائية» Future Electric Drive، للبحث والتطوير في «مرسيدس بنز» الذي يستكشف تقنيات السيارات الكهربائية في مرحلة مبكرة: «نحن ننتج مئات السيارات يومياً، وسطح السيارة مساحة كبيرة جداً. فلماذا لا نستخدمها لحصاد طاقة الشمس؟».

إن المادة الكهروضوئية التي تبحثها شركة مرسيدس تشبه العجينة التي يمكن وضعها على الجزء الخارجي للسيارة. يبلغ سمك الطلاء 5 ميكرومترات فقط (يبلغ متوسط ​​سمك شعرة الإنسان نحو 100 ميكرومتر)، ويزن 50 غراماً لكل متر مربع.

وقود شمسي لآلاف الكيلومترات

في سيارة رياضية متعددة الأغراض SUV متوسطة الحجم، ستشغل العجينة، التي تطلق عليها مرسيدس أيضاً طلاءً شمسياً، نحو 118 قدماً مربعة، ما ينتج طاقة كافية للسفر لمسافة تصل إلى 7456 ميلاً (12000 كم) في السنة. ويشير صانع السيارة إلى أن هذا يمكن أن يتحقق في «ظروف مثالية»؛ وتعتمد كمية الطاقة التي ستحصدها هذه العجينة بالفعل على قوة الشمس وكمية الظل الموجودة.

طلاء مرن لصبغ المنحنيات

ولأن الطلاء الشمسي مرن، فيمكنه أن يتناسب مع المنحنيات، ما يوفر فرصاً أكبر للطاقة الشمسية مقارنة بالألواح الشمسية الزجاجية التي لا يمكن ثنيها، وبالتالي لا يمكن تثبيتها إلا على سقف السيارة أو غطاء المحرك. يُعدّ الطلاء الشمسي جزءاً من طلاء متعدد الخطوات يتضمن المادة الموصلة والعزل والمادة النشطة للطاقة الشمسية ثم الطلاء العلوي لتوفير اللون (يشكل كل ذلك معاً عمق بـ5 ميكرونات).

لن تكون هذه الطبقة العلوية طلاءً قياسياً للسيارات لأنها لا تحتوي على صبغة. بدلاً من ذلك، ستبدو هذه الطبقة أشبه بجناح الفراشة، كما يقول شميد، وستكون مادة شديدة الشفافية مليئة بجسيمات نانوية تعكس الأطوال الموجية من ضوء الشمس. كما يمكن تصميمها لتعكس أطوال موجية محددة، ما يعني أن السيارات الكهربائية يمكن أن تأتي بألوان أخرى.

وسيتم توصيل الطلاء الشمسي أيضاً عن طريق الأسلاك بمحول طاقة يقع بجوار البطارية، الذي سيغذي مباشرة تلك البطارية ذات الجهد العالي.

تأمين أكثر من نصف الوقود

ووفقاً للشركة فإن متوسط سير ​​السائق هو 32 ميلاً (51.5 كم) في اليوم؛ هناك، يمكن تغطية نحو 62 في المائة من هذه الحاجة بالطاقة الشمسية من خلال هذه التكنولوجيا. بالنسبة للسائقين في أماكن مثل لوس أنجليس، يمكن أن يغطي الطلاء الشمسي 100 في المائة من احتياجات القيادة الخاصة بهم. يمكن بعد ذلك استخدام أي طاقة إضافية عبر الشحن ثنائي الاتجاه لتشغيل منزل شخص ما.

على عكس الألواح الشمسية النموذجية، لا يحتوي هذا الطلاء الشمسي على أي معادن أرضية نادرة أو سيليكون أو مواد سامة أخرى. وهذا يجعل إعادة التدوير أسهل. وتبحث «مرسيدس» بالفعل عن كيفية جعل إصلاحه سهلاً وبأسعار معقولة.

يقول شميد: «قد تكون هناك مخاوف من أن سيارتي بها خدش، فمن المحتمل أن لوحة الباب معطلة»، وتابع: «لذا اتخذنا احتياطاتنا، ويمكننا بسهولة القول إن لدينا تدابير مضادة لذلك».

ومع تغطية المركبات الكهربائية بالطلاء الشمسي، لن يكون هناك الكثير من القلق بشأن شبكات الشحن، أو الحاجة إلى قيام الناس بتثبيت أجهزة الشحن في منازلهم. ويقول شميد : «إذا كان من الممكن توليد 50 في المائة أو حتى أكثر من قيادتك السنوية من الشمس مجاناً، فهذه ميزة ضخمة ويمكن أن تساعد في اختراق السوق».

ومع ذلك، فإن حقيقة طلاء سيارتك الكهربائية بالطاقة الشمسية لا تزال على بعد سنوات، ولا تستطيع مرسيدس أن تقول متى قد يتم طرح هذا على طرازاتها، لكنها شركة واثقة من تحقيقها.

* مجلة «فاست كومباني»، خدمات «تريبيون ميديا».

اقرأ أيضاً