يشكل تطوير الإلكترونيات الناعمة والمرنة حجر الزاوية في تقدم الأجهزة القابلة للارتداء، والروبوتات الناعمة، والأجهزة الطبية الحيوية أو الغرسات داخل الجسم.
قفزة كبيرة في هذا المجال يحققها باحثو جامعة كامبريدج البريطانية من خلال تطوير «بطاريات هلامية» مبتكرة وناعمة وقابلة للتمدد. هذه البطاريات الجديدة، المستوحاة من الأنظمة الكهربائية الطبيعية لثعابين البحر الكهربائية (الأنقليس الرعاد)، وهي أنواع من الأسماك البحرية تتميز بقدرتها على إنتاج صدمات كهربائية لصعق الفريسة.
الإلهام من الطبيعة
يستخدم ثعبان البحر الكهربائي خلايا عضلية معدلة تُعرف باسم الخلايا الكهربائية لتوليد صدمات كهربائية. تحاكي المواد الشبيهة بالهلام التي طورها الفريق هذه الآلية الطبيعية، وذلك باستخدام هيكل متعدد الطبقات يشبه مكعبات الليغو اللزجة. يمكّن هذا التصميم المادة من توصيل تيار كهربائي بكفاءة.
قابلية التمدد والتوصيل
إحدى أبرز ميزات هذه البطاريات الهلامية هي قدرتها على التمدد لأكثر من عشرة أضعاف طولها الأصلي دون المساس بالتوصيل الكهربائي. يعد هذا المزيج غير المسبوق من القابلية للتمدد والتوصيل الأول من نوعه في علوم المواد، ويمثل تقدماً تكنولوجياً كبيراً.
يتم تصنيع هذه البطاريات من الهلاميات المائية، وهي عبارة عن شبكات ثلاثية الأبعاد من البوليمرات تتكون من أكثر من 60% من الماء. يتم ربط البوليمرات الموجودة في هذه الهلاميات المائية من خلال تفاعلات عكسية، مما يسمح بالتحكم الدقيق في خواصها الميكانيكية. تعد إمكانية التحكم هذه ضرورية للتطبيقات في مجال الروبوتات الناعمة والإلكترونيات الحيوية، حيث تحتاج المواد إلى محاكاة خصائص الأنسجة البشرية.
التحديات والابتكارات
يطرح إنشاء مادة شديدة التمدد وموصلة للغاية تحديات كبيرة. وأوضح ستيفن أونيل، المؤلف الأول للدراسة من قسم يوسف حميد للكيمياء في كامبريدج إنه «من الصعب تصميم مادة شديدة التمدد وموصلة للغاية؛ لأن هاتين الخاصيتين تتعارضان عادة مع بعضهما البعض».
وللتغلب على ذلك، قام الباحثون بشحن البوليمرات الموجودة في الهلاميات المائية لجعلها موصلة للكهرباء، واستخدموا الأملاح لجعل الهلاميات لزجة. سمح لهم هذا النهج بوضع طبقات من المواد الهلامية، وبالتالي زيادة إمكانات الطاقة. يتم تسهيل الالتصاق القوي بين طبقات الهلاميات المائية عن طريق جزيئات على شكل برميل تعمل مثل الأصفاد الجزيئية. تضمن هذه الروابط القابلة للعكس أن الطبقات تلتصق ببعضها البعض بقوة، وتحافظ على التوصيل الكهربائي حتى عند تمديدها.
التطبيقات المحتملة
إن الطبيعة الناعمة والمرنة لهذه الهلاميات المائية تجعلها واعدة بشكل خاص للأجهزة الحيوية التي تزرع طبياً في الجسم. وقال البروفسور أورين شيرمان، مدير مختبر البوليمرات، إنه «يمكن تخصيص الخواص الميكانيكية للهيدروجيلات بحيث تتطابق مع الأنسجة البشرية». تعني هذه القدرة على التكيف أن غرسات الهيدروجيل أقل عرضة لرفض الجسم أو التسبب في تكوين أنسجة ندبية، مقارنة بالغرسات المعدنية الصلبة.
بالإضافة إلى مرونتها، تظهر الهلاميات المائية صلابة مثيرة للإعجاب. يمكنها تحمل ضغط كبير دون أن تفقد شكلها، وتمتلك قدرات الشفاء الذاتي، مما يعزز ملاءمتها للتطبيقات الطبية.
ويخطط فريق البحث لإجراء تجارب مستقبلية لاختبار هذه الهلاميات المائية في الكائنات الحية لتقييم فاعليتها في سيناريوهات طبية مختلفة. وتمتد إمكانات هذه البطاريات الهلامية إلى ما هو أبعد من التطبيقات الطبية الحيوية لتشمل أي مجال يمكن أن يستفيد من الإلكترونيات المرنة والقابلة للتمدد.
