نظم استشعار مطوّرة لرصد جودة الهواء وخزن الطاقة

أبحاث «كاوست» في علوم المواد تسهم في تقديم حلول للمشكلات المعاصرة

يُمكّننا المجهر الإلكتروني النافذ - عالي الدقة ومنخفض الجرعة - من تحديد بنى معيبة متنوعة في مواد الأطر المعدنية العضوية
يُمكّننا المجهر الإلكتروني النافذ - عالي الدقة ومنخفض الجرعة - من تحديد بنى معيبة متنوعة في مواد الأطر المعدنية العضوية
TT

نظم استشعار مطوّرة لرصد جودة الهواء وخزن الطاقة

يُمكّننا المجهر الإلكتروني النافذ - عالي الدقة ومنخفض الجرعة - من تحديد بنى معيبة متنوعة في مواد الأطر المعدنية العضوية
يُمكّننا المجهر الإلكتروني النافذ - عالي الدقة ومنخفض الجرعة - من تحديد بنى معيبة متنوعة في مواد الأطر المعدنية العضوية

شهدت المراكز البحثية العالمية ومن ضمنها جامعة «كاوست» زيادة هائلة في إنتاج البحوث في مجال الهياكل المعدنية العضوية ذات التأثير على الاقتصاد الوطني والعالمي.
وفي إطار خطة المملكة العربية السعودية لتنويع اقتصادها، بعيدًا عن مجال صناعة النفط وبهدف خلق اقتصاد معرفي شهد المجال البحثي في السعودية أيضا تحولا كبيرا، إثر تأسيس جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) البحثية للدراسات العليا على شاطئ البحر الأحمر في عام 2009. وتعمل الجامعة على تعظيم مساهماتها في تحقيق رؤية المملكة 2030 والتركيز بصورة خاصة على أبحاث استراتيجية ذات أهمية عالمية، خاصةً في مجالات الطاقة، الغذاء، الماء والبيئة.
تطبيقات واعدة
ويجتهد علماء «كاوست» للبقاء في الطليعة في مختلف التخصصات ومن ضمنها مجال علوم «المواد أو الأطر أو الهياكل المعدنية العضوية» والتي تعد من مجالات الكيمياء المتقدمة في القرن الحادي والعشرين لما لها من تطبيقات واعدة في تخزين الطاقة واحتجاز ثاني أكسيد الكربون وفصل الغازات وبالتالي الإسهام في مواجهة تحديات التدهور البيئي.
وحينما نتحدث عن «الأطر المعدنية العضوية» فإننا نتحدث عن بلورات مسامية، تم اختراعها في أوائل التسعينات، وهي مواد تتميز بوجود مسام في هيكلها. تلك المسام ذات أبعاد كافية لتسمح باستضافة جزيئات أخرى وانتشارها عبرها. ويمكن للباحثين من خلال تغيير المعادن والروابط العضوية أن يتحكموا بدقة في شكل منظومة المسامات الميكروية في المادة، وحجمها، ووظائفها، والتي تؤثر بدورها على قدرة المادة على امتزاز بعض الجزيئات. وتسمح هذه الخصائص الفريدة للأطر المعدنية العضوية بحدوث تغيير كيميائي للتركيبة الداخلية بحيث يمكن استخدامها في فصل وتخزين الغاز والتحفيز الكيميائي والتطبيقات الطبية الحيوية.
وتمتاز المواد التي طورها باحثو «كاوست» بقيادة البروفسور محمد الداودي من قسم العلوم والهندسة، بإمكانية تحسين أبحاث الطاقة الخضراء خاصةً أن لديهم سجلا طويلا حافلا بالإنجازات شمل ثلاثة من مراكز أبحاث الجامعة، والمختبرات المركزية، بالإضافة إلى شركاء في الصين والمملكة المتحدة. وفيما يلي بعض أبرز الأبحاث والدراسات والابتكارات التي طورها علماء «كاوست» في مجال «الأطر المعدنية العضوية» خلال السنوات القليلة الماضية.
مواد متعددة الاستخدامات
أحدث الأبحاث التي أجراها الباحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) تمثل في تطوير طريقة رائدة لتخليق العيوب في الأطر المعدنية العضوية وتصويرها والتحقيق في تأثيرها الكيميائي باستخدام مجهر إلكتروني نافذ. ورغم الاعتقاد السائد فقد أثبت هؤلاء العلماء بأن البلورات المثالية ليست بالضرورة الأكثر نفعًا، فالعيوب الموجودة في البناء البلوري المرتب للأطر المعدنية العضوية يمكن استغلالها في تكييف تلك المواد متعددة الاستخدامات، للاستعانة بها في تطبيقات محددة.
وسيمكن تخليق عيوب محددة في الأطر المعدنية العضوية باستخدام المعالجة الكيميائية ومراقبة كيفية تطور أنماطها من إجراء ضبط دقيق لها، بهدف تعديل خصائصها الكيميائية، كما سيأخذ هذا المجال إلى مستويات غير مسبوقة من التحكم.
ويمكن أن يخلق تغيير أنواع المعادن بهذه المجموعات المعدنية، وكذا تغيير بنية الروابط بينها، تنوعًا هائلًا في الأطر المعدنية العضوية من ناحية تفاوت شبكة المسام واختلاف الخصائص الكيميائية.
ويتمثل اثنان من التطبيقات الرئيسية الممكنة للأطر المعدنية العضوية في استخدامها كعوامل محفزة، وكمواد امتزاز وفصل للغازات على نحو شديد الانتقائية.
وعن آخر ما توصل إليه الباحثون في مجال الأطر المعدنية العضوية، يقول البروفسور يو هان، أستاذ علوم الكيمياء في «كاوست»: «أكبر مفاجأة نكشف عنها أن هناك عيوبًا متنوعة في جميع الأطر المعدنية العضوية تقريبًا، حتى تلك التي كانت تعد مثالية في السابق».
ويوضح هان أن التحقيق في أمر العيوب يمثل تحديًا لأن بلورات الأطر المعدنية العضوية تكون هشة ويمكن أن يتلفها بسهولة شعاع الإلكترونات المستخدم في المجهر الإلكتروني التقليدي.
وقد تغلب الفريق البحثي على هذه المشكلة باستخدام كاميرا العد الإلكتروني شديدة الحساسية، بالإضافة إلى طرق مصممة خصيصًا لتحليل الصور.
وباستخدام تلك الطريقة فائقة القدرة والدقة على النظر بعمق في الأطر المعدنية العضوية، كشف الباحثون عن نوعين من العيوب يمكن أن يوجدا معًا، بسبب الافتقار إلى مجموعات معدنية وروابط معينة.
كما استكشف الباحثون أيضًا كيفية تخليق العيوب في الأطر المعدنية العضوية باستخدام المعالجة الكيميائية ومراقبة كيفية تطور نمط العيوب. وهو ما يمكن من إجراء ضبط دقيق للعيوب بهدف تعديل الخصائص الكيميائية للأطر المعدنية العضوية.
وأثبت فريق «كاوست» قوة هذه الاستراتيجية باكتشاف أن أحد الأطر المعدنية العضوية - والذي يحتوي على عيب نقص المجموعات المعدنية - يكون أكثر نشاطًا من الناحية التحفيزية، مقارنة بالأطر المعدنية العضوية التي بها عيب الروابط المفقودة.

نظم استشعار مطورة
> ضبط جودة الهواء. تقدم آخر أحرزه باحثو «كاوست» في مواجهة أحد أبرز التحديات التي تواجه البشرية في هذا العصر وهو تلوث الهواء يجتهد العلماء في إيجاد حلول وتقنيات من أجل توفير جودة هواء عالية للعمل بأمان وفاعلية. وفي هذا الاتجاه نجح الباحثون في الجامعة في تطوير أجهزة استشعار إلكترونية ترصد في آن واحد ثلاثة عوامل محورية على الأقل بالغة الأهمية لمراقبة راحة الإنسان وسلامته وضمانهما خاصةً للعاملين في الأماكن المغلقة الصغيرة، بدايةً من رواد الفضاء وأفراد أطقم الغواصات وانتهاءً بعمال المناجم وعمال الإنقاذ.
وكان باحثو «كاوست» قد ابتكروا إطاراً معدنياً عضوياً يستطيع أن يراقب خصائصه بذاته يمكنه من امتصاص الرطوبة الزائدة في الغرفة ثم إطلاقها ثانيةً فقط عندما تنخفض الرطوبة.
يمكن للأطر المعدنية العضوية تلك التي طورها هؤلاء العلماء أن تنظم الأجواء ببراعة وتضبطها ضمن مستويات الرطوبة المريحة والصحية التي وضعتها الجمعية الأميركية لمهندسي التدفئة والتبريد والتكييف. كما يمكن استخدامها لتعديل مستويات الرطوبة في الأماكن المغلقة.
> رصد الغازات الضارة. وفي ذات الاتجاه طورت مجموعة بحثية أخرى في «كاوست» مادة مسامية ذات جيوب مصممة خصيصاً ومدمجة في بنيتها، وذات قدرة واعدة على استشعار الغازات الضارة.
ولصنع أداة استشعار إلكترونية يمكنها اكتشاف آثار غاز ثاني أكسيد الكبريت، قام الباحثون بطلاء طبقة رقيقة من تلك المادة على قطب كهربائي. وتعد أداة الاستشعار تلك خطوة مهمة نحو الوصول إلى أجهزة عملية تستطيع اكتشاف الغازات الخطرة في الهواء آنياً وفي الوقت الحقيقي.
> تنقية المواد البتروكيماوية. الإنجاز الآخر الذي حققه باحثو «كاوست» في أبحاث «الأطر المعدنية العضوية» تمثل في تطوير مواد مسامية تزيل البروبان (غاز ضار) من البروبيلين، وذلك لتحسين القدرة الإنتاجية للبوليبروبيلين. وجدير بالذكر فإن البوليبروبيلين يستخدم في ميادين صناعية عديدة تقدر بمليارات الدولارات، مثل حاويات المواد الغذائية والأثاث البلاستيكي، كما أن البروبيلين يعد المادة الخام الرئيسة في الصناعات البتروكيماوية.


مقالات ذات صلة

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

علوم النموذج تم تطويره باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

أنتجت مجموعة من العلماء هيكلاً يشبه إلى حد كبير الجنين البشري، وذلك في المختبر، دون استخدام حيوانات منوية أو بويضات.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم الهياكل الشبيهة بالأجنة البشرية تم إنشاؤها في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء يطورون «نماذج أجنة بشرية» في المختبر

قال فريق من الباحثين في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة إنهم ابتكروا أول هياكل صناعية في العالم شبيهة بالأجنة البشرية باستخدام الخلايا الجذعية.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

تمكنت مجموعة من العلماء من جمع وتحليل الحمض النووي البشري من الهواء في غرفة مزدحمة ومن آثار الأقدام على رمال الشواطئ ومياه المحيطات والأنهار.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
علوم صورة لنموذج يمثل إنسان «نياندرتال» معروضاً في «المتحف الوطني لعصور ما قبل التاريخ» بفرنسا (أ.ف.ب)

دراسة: شكل أنف البشر حالياً تأثر بجينات إنسان «نياندرتال»

أظهرت دراسة جديدة أن شكل أنف الإنسان الحديث قد يكون تأثر جزئياً بالجينات الموروثة من إنسان «نياندرتال».

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

توصلت دراسة جديدة إلى نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات على كوكب الأرض مشيرة إلى أن نظرية «تبلور العقيق المعدني» الشهيرة تعتبر تفسيراً بعيد الاحتمال للغاية.

«الشرق الأوسط» (لندن)

مدينة أميركية صغيرة تواجه أزمة النقل بالتاكسي الطائر وعربات الغندول

مدينة أميركية صغيرة تواجه أزمة النقل بالتاكسي الطائر وعربات الغندول
TT

مدينة أميركية صغيرة تواجه أزمة النقل بالتاكسي الطائر وعربات الغندول

مدينة أميركية صغيرة تواجه أزمة النقل بالتاكسي الطائر وعربات الغندول

في زمن مضى، كانت هناك مزرعة سكر امتدت فيها حقول القصب إلى ما لا نهاية. وداخل هذه الحقول، كان العبيد -خاصة أصحاب الجذور الأفريقية- يعملون تحت لهيب الشمس بدأب.

بمرور الوقت، نمت المزرعة أكثر وضمت مصنعاً حمل اسم «إمبريال شوغر»، والذي توسع ونما بدوره ليتحول إلى مدينة أطلق عليها اسم يليق بها تماماً: شوغر لاند (أرض السكر). وعلى امتداد العقود القليلة التالية، شهدت شوغر لاند نمواً هائلاً جعلها تبتعد كثيراً عن صورتها الأولى، مع ظهور الأحياء المخطط لها بعناية بمختلف أرجائها. ومع انتشار السيارات في سبعينيات القرن الماضي، توسعت الطرق السريعة لتربط بين هذه الأحياء ـ وكذلك لتقسمها. وتكشف الأرقام أن المدينة التي تجاوز عدد سكانها عام 1970 حاجز الـ3000 بقليل، ارتفع عدد سكانها بصورة هائلة عام 2020 إلى 110 آلاف نسمة.

سيارات طائرة

يذكر أن مدينة شوغر لاند تقع جنوب غربي هيوستن مباشرة؛ وتصنف اليوم سادس أسرع مدن الولايات المتحدة نمواً. وصاحب هذا النمو ظهور مشكلة نقص المساحة. ومع بقاء 4 في المائة فقط من أراضي المدينة متاحة للبناء عليها، تبحث شوغر لاند عن حلول مبتكرة لمعضلة النقل.

وفي هذا الإطار، أطلقت شوغر لاند، على امتداد العام الماضي، ثلاث مبادرات كبرى - إحداها خدمة للنقل المجتمعي الصغير، والاثنتان الأخريان تتضمنان حلولاً جوية.

في وقت سابق من هذا العام، دخلت المدينة في شراكة مع «ويسك إيرو»، شركة قضت السنوات الـ14 الماضية في تطوير سيارات الأجرة الكهربائية ذاتية الطيران، والمعروفة كذلك باسم مركبات الإقلاع والهبوط العمودي، أو «فيتول» vertical take - off and landing (VTOL).

ومن المقرر أن يتيح هذا المشروع التجريبي للسكان الركوب في سيارة أجرة (تاكسي) جوية (من قلب مدينة شوغر لاند، مثلاً)، والتحليق باتجاه مطار عمودي مخصص، في غضون جزء بسيط من الوقت الذي يستغرقه السفر بالسيارة.

في هذا الصدد، شرح ميتشل ديفيز، نائب مدير شؤون الطيران بمطار شوغر لاند الإقليمي، أن المطار حدد مواقع محتملة لما يسمى بالمطار العمودي (Vertiport)، ويتعاون بشكل وثيق مع شركة «ويسك إيرو» وإدارة الطيران الفيدرالية لإجراء دراسة للمجال الجوي. ويقول إن المطار العمودي من المقرر أن يصبح جاهزاً للعمل «بحلول نهاية العقد أو قبل ذلك».

عربات الغندول

وفي الآونة الأخيرة، أعلنت المدينة أنها تدرس إمكانية الاستعانة بـ«نظام نقل مستقل بالكابل والسكك الحديدية»، ينزلق فوق شوارعها. ويمكن وصف النظام، الذي تديره شركة «سويفت سيتيز» المتخصصة بمجال أنظمة التنقل الحضري، بأنه غندول (مصعد) أو عربة سكة حديد عند الطلب يشبه إلى حد ما خدمة «أوبر»، لكن باستثناء أنه تجري الاستعاضة عن السيارة بمقصورة تنزلق لالتقاطك وإنزالك في المكان الذي تريده، دون توقف بين النقطتين.

وتجري حالياً دراسة لوضع مخطط هندسي لفحص إمكانات نظام الغندول، بما في ذلك المواقع المحتملة. ومن المتوقع أن تكتمل الدراسة في وقت لاحق من هذا العام.

برامج لشوارع آمنة

الحقيقة أن قصة مدينة شوغر لاند لا تختلف عن قصص الكثير من المدن الأميركية، خاصة في المناطق التي لا تزال فيها الهيمنة للسيارات. عن ذلك، قالت ميلاني بومان، مديرة شؤون النقل والتنقل في شوغر لاند، إن حركة المرور بالمنطقة من المتوقع أن تزيد بنسبة 40 – 60 في المائة بحلول عام 2025، وإذا نظرنا إلى كوارث الطرق السريعة باعتباره مؤشراً، فإن بناء المزيد من الممرات لن يوفر المزيد من المساحة، بل سيجذب ببساطة المزيد من السيارات. وخلصت بومان إلى أنه: «سينتهي بك الحال إلى محو المدينة بسبب هذه الطرق السريعة الضخمة».

وسعياً نحو التوصل إلى حلول، أجرت المدينة دراسة استمرت لسنوات توجت بـ«خطة رئيسة للتنقل»، مكونة من 163 صفحة. وبعد إجراء مقابلات مع ما يقرب من 2000 من السكان، صاغ المسؤولون خططاً لتطوير برنامج شوارع آمنة، بهدف تخصيص المزيد من المساحة للأشخاص للمشي وركوب الدراجات، وكذلك استيعاب أولئك الذين يستخدمون الكراسي المتحركة وعربات الأطفال. كما وضعوا نصب أعينهم هدف جعل شوغر لاند مدينة رائدة بمجال الحلول المبتكرة للتنقل.

وقالت بيمان: «لقد وجهنا مسؤولو المدينة إلى أن نكون جريئين فيما نفعله بقطاع النقل. قيل لنا أن نكون رواداً، ولا نخشى المخاطرة».