مهندسون يصممون مستشعرا يحوّل الضوء لإشارات كهربائية بكفاءة 200 %

يمكن استخدامه في التكنولوجيا التي تراقب العلامات الحيوية للأشخاص

استطاع مجموعة من العلماء انتاج مستشعر يحول الضوء إلى إشارات كهربائية بكفاءة مذهلة تبلغ 200 في المائة؛ وهو رقم يبدو «مستحيلًا» تم تحقيقه من خلال غرابة فيزياء الكم. وهذه هي حساسية الجهاز المعروف باسم «الثنائي الضوئي».
ويقول الفريق المسؤول عن ابتكاره إنه يمكن استخدامه في التكنولوجيا التي تراقب العلامات الحيوية للشخص (بما في ذلك ضربات القلب أو معدل التنفس) دون الحاجة إلى إدخال أي شيء أو حتى ربطه بجسم.
وتقاس كفاءة الثنائي الضوئي عادةً بعدد جسيمات الضوء المتاحة التي يمكن تحويلها إلى إشارات كهربائية. فيما يتحدث العلماء عن شيء وثيق الصلة، ولكن أكثر تحديدًا قليلاً هو إنتاج «الإلكترون الضوئي» أو عدد الإلكترونات التي تولدها الفوتونات التي تضرب جهاز الاستشعار. إذ يتم تحديد إنتاجية الإلكترون الضوئي للديود الضوئي من خلال كفاءتها الكمية؛ (القدرة الأساسية للمادة على إنتاج جسيمات حاملة شحنة على مستوى أساسي) بدلاً من كمية الطاقة الكهربائية المنتجة، وذلك وفق موقع «ساينس إليرت» العلمي، نقلا عن مجلة «ساينس أدفانسز».
وفي توضيح أكثر لهذا الأمر، قال المهندس الكيميائي رينيه يانسن من جامعة أيندهوفن للتكنولوجيا في هولندا «يبدو صوته مذهلاً، لكننا لا نتحدث عن كفاءة الطاقة العادية هنا. ما يهم في عالم الثنائيات الضوئية هو الكفاءة الكمية. فبدلاً من الكمية الإجمالية للطاقة الشمسية يتم حساب عدد الفوتونات التي يحولها الصمام الثنائي إلى إلكترونات».
وكنقطة انطلاق، عمل الفريق على جهاز يجمع بين نوعين من خلايا الألواح الشمسية «البيروفسكايت والعضوية» من خلال تكديس الخلايا بحيث تلتقط طبقة الضوء الذي فاتته طبقة أخرى، وقد حقق الباحثون 70 في المائة من الكفاءة الكمية.
ولدفع هذا الرقم إلى أعلى، تم تقديم ضوء أخضر إضافي. حيث تم تحسين المستشعر أيضًا لتحسين قدرته على تصفية أنواع مختلفة من الضوء، والاستجابة لعدم وجود ضوء على الإطلاق. وأدى هذا إلى دفع الكفاءة الكمية للديود الضوئي إلى ما يزيد على 200 في المائة، على الرغم من أنه في هذه المرحلة ليس من الواضح بالضبط سبب حدوث هذا التعزيز.
قد يكون المفتاح هو الطريقة التي تنتج بها الديودات الضوئية تيارًا. إذ تثير الفوتونات الإلكترونات في مادة الثنائي الضوئي، ما يجعلها تهاجر وتؤدي إلى تراكم الشحنات. ويفترض الباحثون أن الضوء الأخضر قد يطلق إلكترونات على طبقة واحدة تتحول إلى تيار فقط عندما تضرب الفوتونات طبقة مختلفة.
من جهته، يقول المهندس الكيميائي ريكاردو أولييرو من جامعة أيندهوفن للتكنولوجيا «نعتقد أن الضوء الأخضر الإضافي يؤدي إلى تراكم الإلكترونات في طبقة البيروفسكايت. ويعمل هذا كخزان للشحنات التي يتم إطلاقها عندما يتم امتصاص فوتونات الأشعة تحت الحمراء في الطبقة العضوية. وبعبارة أخرى، كل فوتون للأشعة تحت الحمراء يمر عبره ويتحول إلى إلكترون، ويحصل على مرافق من إلكترون إضافي، ما يؤدي إلى كفاءة تصل إلى 200 في المائة أو أكثر».
وفي هذا الاطار، يعد الثنائي الضوئي الأكثر كفاءة أيضًا ثنائيًا ضوئيًا أكثر حساسية؛ وهو الثنائي الأكثر قدرة على مراقبة التغيرات الصغيرة جدًا في الضوء من مسافات أكبر. وهذا يعيدنا إلى قياس نبضات القلوب ومستويات التنفس.
فباستخدام الثنائي الضوئي الفائق النحافة (وهو أرق بمئة مرة من ورقة جريدة) قاس الباحثون تغيرات طفيفة في ضوء الأشعة تحت الحمراء المنعكس من إصبع من مسافة 130 سم (51.2 بوصة). وقد ثبت أن هذا يتطابق مع ضغط الدم ومعدل ضربات القلب، تمامًا كما يفعل مستشعر الساعة الذكية ولكنه يعمل عبر طاولة.
ومع إعداد مماثل، قام الفريق بقياس معدلات التنفس من حركات الصدر الطفيفة. وهناك إمكانية لجميع أنواع المراقبة والأغراض الطبية إذا كان من الممكن تطوير التكنولوجيا بنجاح في مرحلة المختبر.
ويخلص يانسن الى القول «نريد أن نرى ما إذا كان بإمكاننا تحسين الجهاز، على سبيل المثال من خلال جعله أسرع. نريد أيضًا استكشاف ما إذا كان بإمكاننا اختبار الجهاز سريريًا».