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)

إبداعات تطمس الحدود بين الفن والتصميم وتجمع الجمال والخيال والفائدة

إبداعات تطمس الحدود بين الفن والتصميم وتجمع الجمال والخيال والفائدة
TT

إبداعات تطمس الحدود بين الفن والتصميم وتجمع الجمال والخيال والفائدة

إبداعات تطمس الحدود بين الفن والتصميم وتجمع الجمال والخيال والفائدة

من «اللمعان العالي» إلى المزيد من الحرفية في عملية التصميم... هذه هي الاتجاهات التي يريد المصممون رؤيتها أكثر في العام المقبل. كما كتبت إليزافيتا م. براندون (*).

مع انتهاء عام 2024، تواصلنا مع ثمانية مصممين ومهندسين معماريين، بما في ذلك تي تشانغ وبين ويليت وباسكال سابلان، وطلبنا منهم طرح تصوراتهم. أما مهمتهم، فهي اختيار اتجاه يريدون رؤيته مزدهراً في العام المقبل. وقد حان الوقت للكشف عن تلك الاتجاهات.

«التصميم الفني»

يقول تي تشانغ، مصمم صناعي ومؤسس مشارك ومدير تصميم منظمة «كرايف» Crave: «في عام 2025، أتوقع أن نشهد ارتفاعاً في التصميم الفني (Artful design) - وهي حركة تتجاوز فيها المنتجات الوظائف، لتصبح أشياء ذات معنى عميق ولها صدى عاطفي».

وهذه الإبداعات تطمس الحدود بين الفن والتصميم، وتجمع بين الجمال والخيال والفائدة بطرق تسعد وتلهم. إنها ليست مجرد أشياء نستخدمها؛ إنها أشياء نعتز بها.

إن هذه الأشياء تكون مصنوعة من قِبل فنانين ومبدعين وعلامات تجارية ذات قناعات إبداعية قوية ونهج ضميري للتصنيع. ويتم إنتاجها بعناية من خلال عمليات تصنيع مدروسة، مع إعطاء الأولوية للجودة على الكمية. يتماشى هذا النهج مع رغبات المستهلكين المتزايدة في أسلوب حياة أفضل - أسلوب يرفض السلع الرخيصة التي يمكن التخلص منها لصالح المنتجات المصنوعة مع احترام البيئة والاعتبار لرفاهية المستخدم.

«لمعان شديد»

يقول بن ويليت، مصمم، مؤسس شركة «ويليت» إنه متحيز جزئياً «لأنني أطلي الكثير من قطع الأثاث الخاصة بي الآن؛ فهذا يضيف شيئاً جريئاً وحسياً إلى قطعة أثاث أو غرفة. ولأن الضوء يحب التحرك في الفضاء فإن طلاء شيء على شكل شديد اللمعان يمنحه الفرصة للقيام بذلك».

التنوع والمساواة في الهندسة المعمارية والتصميم

تقول باسكال سابلان، مهندسة معمارية، الرئيسة التنفيذية لشركة Adjaye Associates، استوديو نيويورك، إن «أحد الاتجاهات التي أرغب بشدة في رؤيتها تزدهر في عام 2025 هو الاستمرار في إعطاء الأولوية للتنوع والمساواة والشمو بصفتها ركيزة أساسية لمهنتنا. إن الجهود المبذولة لإنشاء صناعة تصميم أكثر إنصافاً وعدالة ليست مجرد مبادرات؛ بل إنها ضرورية لتشكيل بيئة مبنية تعكس وتخدم الطيف الكامل للإنسانية».

من خلال تضخيم الأصوات غير الممثلة، ورعاية المواهب المتنوعة، ودمج الممارسات التي يقودها المجتمع، يمكننا تصميم مساحات تكرم السرديات الثقافية وترفع من شأن المجتمعات المهمشة. وتضيف: «هذا العمل يتعلق بإنشاء أنظمة دائمة للتغيير تتحدى عدم المساواة وتعزز الإبداع من خلال القوة الجماعية».

«التخصيص والحرفية»

تقول تاليا كوتون، مصممة ومؤسسة ومديرة إبداعية، في «كوتون ديزاين» إن «الشعارات والخطوط المطبعية المخصصة للغاية تعود إلى الظهور، وأنا متحمسة جداً لهذا».

هل تذكرون الوقت الذي سبق ظهور أجهزة الكمبيوتر، عندما كان كل شيء مرسوماً يدوياً بدقة وفريداً حقاً. في السنوات الأخيرة، اتجه التصميم نحو التجانس، وقد لاحظ الناس ذلك... لكن التخصيص يزدهر. وهذا مؤشر على أن الحرفة لم تمت في صناعتنا.

إن الحرفة اليدوية تذكير بأن الفن يميز العمل الرائع. أعتقد أن هذا الاتجاه مهم بشكل خاص الآن؛ لأنه مع صعود الذكاء الاصطناعي والأتمتة، أصبحت الأشياء المصنوعة حسب الطلب والمصنوعة يدوياً ذات قيمة أكبر تقريباً.

وتضيف إميلي شابيرو، مصممة ديكورات داخلية ومؤسسة TALD، من جهتها، إن التخصيص هو الاتجاه الذي نأمل أن يستمر - المساحات التي تعكس ما يجعلك سعيداً، والمصممة عمداً وبحجم مناسب. سواء كان أسلوبك يميل نحو النغمات الخافتة أو الألوان والأنماط الجريئة، فهناك طريقة لإضفاء الحياة على رؤيتك بعناية بحيث يناسب منزلك الطريقة التي تعيش بها وتجتمع بها.

«الاستدامة الطبيعية»

يقول جو دوسيت، مصمم صناعي ومؤسس، «جو دوسيت إكس بارتنرز»: «أعتقد أننا نتجاوز أخيراً الاستدامة المزيفة مثل الخيزران المعاد تدويره والإطارات القديمة الممزوجة بالراتنج إذ لا شيء منهما أفضل للكوكب من المواد الخام. على نحو متزايد، أرى الاستدامة مدمجة في عملية التصنيع بأكملها، والتحول نحو مواد أقل وفي النهاية نقاط فشل أقل. إنه يمثل الابتعاد عن وجهة نظر أحادية البعد للمواد ونحو فهم أن التصميم المستدام مدمج في كل مرحلة من مراحل العملية. هذا ما يجب أن نحب جميعاً أن نرى المزيد منه».

التأثير التجديدي لـ«الإلحاح الصبور»

يقول شون كوين، مدير التصميم المتجدد HOK، إن التصميم التجديدي أخذ يظهر. لقد أصبح تعزيز التنوع البيولوجي حلاً واضحاً وحاسماً لصحة الكوكب، وقد أظهرت إعادة تأهيل المدن تحسناً في حياتنا اليومية. ومع ذلك، نشأ هذا النهج والوعي المتطور خلال فترة من الخلل السياسي والصراع الثقافي.

واستجابة لذلك؛ نحتاج إلى تبني ممارسة «الإلحاح الصبور». نحن في حاجة إلى إشراك المؤيدين والمتشككين على حد سواء والتواصل بشأن هذه القضايا الحرجة بطريقة تجعل عملاءنا ومجتمعاتنا يشاركوننا في هذه الرحلة المثيرة. بصفتنا مصممين، نحتاج إلى الاحتفاظ بتركيزنا والتزامنا بتطوير حلول تعيد ربط الأنظمة الطبيعية بالبيئة المبنية، وتدفع النمو المرن والمستقل عن الطاقة والإيجابي للطبيعة.

* مجلة «فاست كومباني» - خدمات «تريبيون ميديا»