ابتكار بطاريات «قابلة للذوبان»
نجح باحثون من جامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون الأميركية في تصميم بطارية مؤقتة قابلة للتحلل بالكامل وتعمل بـ «البروبيوتيك»، أي البكتيريا النافعة التي نستهلكها في الأغذية والمكملات الصحية. ويهدف هذا الابتكار إلى تمكين جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية، القابلة للاستخدام لمرة واحدة دون ترك أثر ضار على الجسم أو البيئة.
هذا الابتكار العلمي جاء في إطار الجهود المتواصلة لتطوير ما يعرف بالإلكترونيات «المتحللة» أو «المؤقتة»، وهي أجهزة صُممت لتؤدي وظيفة محددة لفترة قصيرة، ثم تذوب تلقائيًا بطريقة آمنة بعد انتهاء مهمتها. وقد نُشرت الدراسة في دورية «سمول» المتخصصة في علوم وتقنيات النانو.
يقول سيخوين تشوي، مدير مختبر الإلكترونيات الحيوية والأنظمة الدقيقة بجامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون، والمشارك في الدراسة، في تصريحات: «كان دافعنا الأساسي هو تطوير مصدر طاقة آمن وصديق للبيئة للأجهزة الإلكترونية المؤقتة».
التخلص من السمّية
عبر تاريخ تقنيات البطاريات الحيوية، ظل استخدام البكتيريا كمصدر للطاقة مرهونًا بخطرين رئيسيين؛ السُمية والمخاطر البيئية. غالبًا ما تعتمد البطاريات الميكروبية على بكتيريا مُعدلة وراثيًا أو سلالات مسببة للأمراض، مما يثير تساؤلات حول السلامة، خاصة عند استخدامها داخل الجسم البشري أو في الطبيعة.
لكن الدراسة الجديدة تتبنى توجهًا مختلفًا. يقول تشوي: «اتجهنا نحو البروبيوتيك، وهي بكتيريا مألوفة في النظام الغذائي البشري والميكروبيوم، مما أتاح لنا ابتكار بطارية غير سامة، ومتوافقة حيويًا، وقابلة للذوبان بالكامل».
يمثل هذا النهج طفرة حقيقية، إذ يعالج بشكل مباشر القيود التنظيمية والصحية التي منعت استخدام البطاريات البيولوجية في التطبيقات الطبية والبيئية. المثير في الأمر أن البطارية لا تعتمد على نوع واحد من البروبيوتيك، بل على مزيج مأخوذ من مكملات غذائية معروفة.
يوضح تشوي: «تم اختيار خليط من 15 سلالة من مكملات بروبيوتيك تجارية ليعكس تنوعًا وراثيًا واسعًا. نعتقد أن التفاعلات الأيضية المتبادلة بين هذه السلالات المتنوعة تعزز النشاط التأكسدي والاختزالي. رغم أن البكتيريا موجبة الجرام عادة ما تملك قدرات ضعيفة لنقل الإلكترونات خارج الخلية، فإن تآزرها في بيئتنا المصممة هندسيًا يبدو كافيًا لتوليد تيار كهربائي مفيد». تشير البيانات التجريبية إلى نجاح التعاون المعقد لمكونات هذا الخليط في توليد الكهرباء، إما عن طريق التخمير أو إفراز جزيئات ناقلة للإلكترونات.
تقنية ذكية للاستجابة الحمضية
تتغذى البكتيريا النافعة على مواد موضوعة داخل البطارية، وخلال عملية الهضم (أو التخمير)، تطلق البكتيريا إلكترونات وهي الجزيئات نفسها التي تنقل الكهرباء في الأسلاك. تمر الإلكترونات التي تطلقها البكتيريا عبر سلك صغير أو مادة موصلة، لتوليد تيار كهربائي يمكن استخدامه لتشغيل جهاز بسيط مثل مستشعر صغير داخل الجسم.
في هذا السياق، فإن البطارية محمية بغشاء خاص لا يذوب إلا في بيئة ذات حامضية محددة، وعندما تدخل البطارية هذه البيئة، يبدأ الغشاء بالذوبان، مما يفتح الطريق أمام الماء والبكتيريا لتبدأ في إنتاج الطاقة. بعد أن تنفذ الطاقة أو تنتهي المهمة، تذوب البطارية بالكامل، ولا تترك خلفها أي مواد سامة أو بقايا، لأن كل مكوناتها تقريبًا قابلة للتحلل.
يشرح تشوي: «الإنجاز الأهم في بحثنا هو دمج الطاقة الحيوية المستندة إلى البروبيوتيك مع تصميم قابل للذوبان بالكامل. بطاريتنا هي الأولى التي تستخدم فقط مواد غذائية آمنة وبكتيريا غير ضارة في هيئة مدمجة وقابلة للذوبان بالكامل. الغشاء الحساس للحموضة يضيف طبقة من التحكم الذكي، مما يتيح تشغيل الجهاز فقط في بيئة حمضية مثل المعدة». هذه التقنية تفتح الباب أمام استخدام البطارية في أجهزة طبية قابلة للبلع، مثل أجهزة قياس درجة الحموضة أو توصيل الأدوية الذكية، التي تعمل فقط بعد دخولها المعدة دون الحاجة لاستخراجها مرة أخرى.
يعلق تشوي: «بينما يستجيب غشاؤنا الحساس جيدًا لمستويات الحموضة في المعدة (1.5 إلى 3.5)، فإن التفاوت بين الأفراد قد يؤثر على الأداء. لذلك، نعمل على تطوير أغشية متعددة الطبقات أو مزج البوليمرات لتوفير تحلل متدرج وأكثر دقة. وفي التطبيقات البيئية، مثل مراقبة المياه الملوثة، قد نضيف محفزات مزدوجة مثل درجات الحموضة والحرارة لزيادة الانتقائية والموثوقية».
تحديات تواجه
البطارية القابلة للذوبان
بحسب الباحثين، فالبطارية الجديدة ما زالت في مرحلة «إثبات المفهوم»، أي أن البطارية الحالية لا تزال تحتاج إلى تطوير قبل دخولها السوق. نحن أمام نموذج أولي من وحدة واحدة، في حين تحتاج التطبيقات الواقعية إلى بطاريات متعددة موصولة على التوالي أو التوازي لرفع الجهد والتيار.
يوضح تشوي: «نرى تطبيقات واعدة في التغليف الذكي للأغذية، حيث يمكن استخدام البطارية لتشغيل مؤشرات نضارة تتحلل مع العبوة. وكذلك في الأجهزة المستخدمة ميدانيًا في الجيش أو أثناء الكوارث، إذ قد يحتاج الجنود أو عمال الإغاثة إلى أجهزة تشخيصية قابلة للبلع ولا تحتاج إلى استرجاع».
رغم هذه الإمكانيات الواعدة، فإن الفريق يقر بأن هناك تحديات أمام تعميم هذه التقنية، على رأسها زيادة كثافة الطاقة، وتمديد وقت التشغيل، وخفض تكاليف التصنيع، والحصول على الموافقات التنظيمية. ورغم اعتماد الباحثين على مواد آمنة بيئيًا، فإن مشروعهم لم يخل من بعض نقاط الضعف، مثل استخدام شمع البرافين في تصنيع البطارية، والذي لا يعد قابلاً للهضم.
ويعلق تشوي: «صحيح أننا استخدمنا شمع البرافين لما يتمتع به من سهولة التشكيل والاستقرار البنيوي، لكنه ليس قابلًا للهضم بشكل كامل. لذا، نبحث حاليًا عن بدائل مثل الكبسولات المصنوعة من الجيلاتين، أو الأغلفة متعددة السكريات، أو حتى أفلام الكيتوسان، التي توفر حماية ميكانيكية مماثلة وتذوب بأمان في البيئات المائية أو الحمضية».
تتجسد أهمية هذا الابتكار في قدرته على الجمع بين السلامة البيئية، والفعالية الحيوية، والتحكم الذكي. بطارية تُصنع من مواد غذائية، تعمل بالبكتيريا النافعة، وتتحلل تلقائيًا بعد أداء وظيفتها، وكأنها لم تكن. وربما بعد سنوات قليلة، عندما تبتلع جهازًا صغيرًا لقياس السكر أو تحليل مستوى الالتهاب في معدتك، لن تفكر كثيرًا فيما يحدث له بعد ذلك. فبفضل البكتيريا النافعة، سينهي مهمته، ويذوب في صمت.
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ يوم واحد
- الجزيرة
كيف استمدت الخلايا القديمة طاقتها بعصر ما قبل البناء الضوئي؟
نجح فريق من الباحثين في جامعة لودفيغ ماكسيميليان الألمانية في إعادة محاكاة بيئة الأرض العتيقة داخل المختبر، مما أتاح لهم إعادة تمثيل أحد أقدم المسارات الأيضية التي يُعتقد أنها أسهمت في تكيف الحياة على كوكب الأرض قبل نحو 4 مليارات سنة. وقد نشر الفريق نتائج دراسته في دورية "نيتشر إيكولوجي أند إيفوليوشن". ويعتقد أن أول صور الحياة انتشارا على سطح الأرض كانت في أعماق المحيطات، وسط بيئة ساخنة وغنية بالمعادن، وتقول مي مبروك، أستاذة برنامج المعلوماتية الحيوية بجامعة النيل المصرية وهي غير المشاركة في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت إن هذه الدراسة تقدم دليلًا عمليا على أن صور الحياة الأولى على الأرض ربما لم تحتج للضوء أو الأكسجين. محاكاة بيئة الأرض العتيقة لإعادة تمثيل هذه البيئة، اعتمد الباحثون على ما تعرف بـ"الحدائق الكيميائية"، وهي تراكيب معدنية تتشكل عند تفاعل محاليل كيميائية مختلفة، وقد استخدم الفريق مزيجًا من كلوريد الحديد وكبريتيد الصوديوم لتشكيل معدنين يعتقد أنهما كانا شائعين في محيطات الأرض القديمة، وهما الماكيناويت والغرايغيت. تقول مي "ركزت التجربة على محاكاة بيئة المحيطات العميقة في الأرض القديمة، التي كانت غنية بالحديد، وخالية من الأكسجين، ودرجة حرارتها مرتفعة بفعل النشاط البركاني والينابيع الحارة". وفي بيئة خالية من الأكسجين وبدرجة حرارة تقارب 80 درجة مئوية، بدأت هذه المعادن في إنتاج غاز الهيدروجين بشكل طبيعي. هذا الغاز، الذي لم يكن مسؤولًا عن إنتاجه أي كائن حي، قد شكّل مصدر طاقة حيوية لبكتيريا بدائية تُعرف باسم "ميثانوكالدوكوكس جاناشي" أو بكتيريا الميثان الأحمر المغلي. رغم أن التجربة لم تتضمن أي مغذيات إضافية أو فيتامينات أو معادن أثرية، فإن البكتيريا المستخدمة، التي تعيش عادة في ظروف قاسية، لم تكتف بالبقاء فقط، بل نمت وتكاثرت. تعلق مي مبروك "هذا يعني أن الهيدروجين الناتج عن المعادن كان كافيًا لتزويدها بالطاقة اللازمة". لكن، لم تكن الأمور سهلة، فمع تسخين السوائل تشكلت فقاعات غازية تسببت في انهيار التراكيب المعدنية. تضيف مي "نمو البكتيريا كان أبطأ بنسبة 30% مقارنة بالنمو في بيئة مخبرية مثالية تحتوي على كل المغذيات. ومع ذلك، يعتبر مجرد نمو البكتيريا في بيئة تفتقر للعناصر الحيوية أمرا مذهلًا، ويُظهر أن الحياة قد تنشأ في ظروف صعبة وبموارد محدودة". المسار الأيضي الأقدم تكمن الأحجية الأساسية في هذه التجربة في المسار الأيضي الذي استخدمته تلك البكتيريا لتوليد الطاقة اللازمة لنموها. فكما تسير السيارات بالبنزين، تعتمد غالبية الكائنات الحية التي تعيش على ظهر الأرض في الوقت الحالي على الأكسجين والضوء. لكن في غياب كليهما في بيئة الأرض العتيقة، يتعقّد اللغز ويظهر السؤال: كيف تمكنت البكتيريا من مد نفسها بالطاقة بالهيدروجين؟ في ظل تلك الظروف القاسية في التجربة، فعّلت البكتيريا مجموعة من الجينات بداخلها مرتبطة بمسار كيميائي حيوي هو أحد أقدم المسارات المعروفة لإنتاج الطاقة في الخلية. وتقول مي مبروك "التعبير الجيني أعطى أدلة قوية على تنشيط المسار البدائي. الجينات المرتبطة بمسار "أسيتيل كو إنزيم أ" كانت أكثر نشاطًا في البيئة المحاكية مقارنة بالبيئات الأخرى حتى تلك المثالية للنمو، مما يشير إلى أن المعادن ساعدت في تحفيز هذا المسار الحيوي". يُنتج هذا المسار الطاقة بطريقة طاردة للحرارة، أي أنه يولد الطاقة دون الحاجة إلى مدخلات خارجية، وهي ما يصفها العلماء بـ"وجبة مجانية مدفوعة الثمن مسبقًا". المعادن نفسها، الماكيناويت والغرايغيت، تُشبه من الناحية التركيبية مراكز التفاعل في بعض الإنزيمات الحديثة، مما قد يشير إلى أن الإنزيمات الحالية قد نشأت من تراكيب معدنية طبيعية وجدت في بيئة الأرض العتيقة. تضيف مي مبروك "هذا المسار قادر على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى طاقة ومركبات عضوية". ولا تقتصر أهمية هذه الدراسة على إعادة فهم أقدم صور الحياة على الأرض فحسب، بل تمتد إلى الفضاء. تقول مي "تشير الدراسة إلى أن البيئات الغنية بمعادن الكبريتيد الحديدي والمياه، مثل تلك التي يُعتقد بوجودها على قمر إنسيلادوس، قد تكون مؤهلة لدعم الحياة حتى في غياب الضوء". إذ يُعد القمر "إنسيلادوس"، التابع لكوكب زحل، من أبرز الأماكن التي قد تحتوي على بيئات مشابهة، حيث يُعتقد أن تحت سطحه الجليدي محيطًا مالحًا نشطًا حراريا. ويخطط الفريق البحثي لمحاكاة ظروف هذا القمر في المختبر للكشف عن قدرة الكائنات البدائية على البقاء فيه، في خطوة جديدة نحو استكشاف الحياة خارج كوكبنا.
جريدة الوطن
منذ 2 أيام
- جريدة الوطن
ابتكار بطاريات «قابلة للذوبان»
نجح باحثون من جامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون الأميركية في تصميم بطارية مؤقتة قابلة للتحلل بالكامل وتعمل بـ «البروبيوتيك»، أي البكتيريا النافعة التي نستهلكها في الأغذية والمكملات الصحية. ويهدف هذا الابتكار إلى تمكين جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية، القابلة للاستخدام لمرة واحدة دون ترك أثر ضار على الجسم أو البيئة. هذا الابتكار العلمي جاء في إطار الجهود المتواصلة لتطوير ما يعرف بالإلكترونيات «المتحللة» أو «المؤقتة»، وهي أجهزة صُممت لتؤدي وظيفة محددة لفترة قصيرة، ثم تذوب تلقائيًا بطريقة آمنة بعد انتهاء مهمتها. وقد نُشرت الدراسة في دورية «سمول» المتخصصة في علوم وتقنيات النانو. يقول سيخوين تشوي، مدير مختبر الإلكترونيات الحيوية والأنظمة الدقيقة بجامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون، والمشارك في الدراسة، في تصريحات: «كان دافعنا الأساسي هو تطوير مصدر طاقة آمن وصديق للبيئة للأجهزة الإلكترونية المؤقتة». التخلص من السمّية عبر تاريخ تقنيات البطاريات الحيوية، ظل استخدام البكتيريا كمصدر للطاقة مرهونًا بخطرين رئيسيين؛ السُمية والمخاطر البيئية. غالبًا ما تعتمد البطاريات الميكروبية على بكتيريا مُعدلة وراثيًا أو سلالات مسببة للأمراض، مما يثير تساؤلات حول السلامة، خاصة عند استخدامها داخل الجسم البشري أو في الطبيعة. لكن الدراسة الجديدة تتبنى توجهًا مختلفًا. يقول تشوي: «اتجهنا نحو البروبيوتيك، وهي بكتيريا مألوفة في النظام الغذائي البشري والميكروبيوم، مما أتاح لنا ابتكار بطارية غير سامة، ومتوافقة حيويًا، وقابلة للذوبان بالكامل». يمثل هذا النهج طفرة حقيقية، إذ يعالج بشكل مباشر القيود التنظيمية والصحية التي منعت استخدام البطاريات البيولوجية في التطبيقات الطبية والبيئية. المثير في الأمر أن البطارية لا تعتمد على نوع واحد من البروبيوتيك، بل على مزيج مأخوذ من مكملات غذائية معروفة. يوضح تشوي: «تم اختيار خليط من 15 سلالة من مكملات بروبيوتيك تجارية ليعكس تنوعًا وراثيًا واسعًا. نعتقد أن التفاعلات الأيضية المتبادلة بين هذه السلالات المتنوعة تعزز النشاط التأكسدي والاختزالي. رغم أن البكتيريا موجبة الجرام عادة ما تملك قدرات ضعيفة لنقل الإلكترونات خارج الخلية، فإن تآزرها في بيئتنا المصممة هندسيًا يبدو كافيًا لتوليد تيار كهربائي مفيد». تشير البيانات التجريبية إلى نجاح التعاون المعقد لمكونات هذا الخليط في توليد الكهرباء، إما عن طريق التخمير أو إفراز جزيئات ناقلة للإلكترونات. تقنية ذكية للاستجابة الحمضية تتغذى البكتيريا النافعة على مواد موضوعة داخل البطارية، وخلال عملية الهضم (أو التخمير)، تطلق البكتيريا إلكترونات وهي الجزيئات نفسها التي تنقل الكهرباء في الأسلاك. تمر الإلكترونات التي تطلقها البكتيريا عبر سلك صغير أو مادة موصلة، لتوليد تيار كهربائي يمكن استخدامه لتشغيل جهاز بسيط مثل مستشعر صغير داخل الجسم. في هذا السياق، فإن البطارية محمية بغشاء خاص لا يذوب إلا في بيئة ذات حامضية محددة، وعندما تدخل البطارية هذه البيئة، يبدأ الغشاء بالذوبان، مما يفتح الطريق أمام الماء والبكتيريا لتبدأ في إنتاج الطاقة. بعد أن تنفذ الطاقة أو تنتهي المهمة، تذوب البطارية بالكامل، ولا تترك خلفها أي مواد سامة أو بقايا، لأن كل مكوناتها تقريبًا قابلة للتحلل. يشرح تشوي: «الإنجاز الأهم في بحثنا هو دمج الطاقة الحيوية المستندة إلى البروبيوتيك مع تصميم قابل للذوبان بالكامل. بطاريتنا هي الأولى التي تستخدم فقط مواد غذائية آمنة وبكتيريا غير ضارة في هيئة مدمجة وقابلة للذوبان بالكامل. الغشاء الحساس للحموضة يضيف طبقة من التحكم الذكي، مما يتيح تشغيل الجهاز فقط في بيئة حمضية مثل المعدة». هذه التقنية تفتح الباب أمام استخدام البطارية في أجهزة طبية قابلة للبلع، مثل أجهزة قياس درجة الحموضة أو توصيل الأدوية الذكية، التي تعمل فقط بعد دخولها المعدة دون الحاجة لاستخراجها مرة أخرى. يعلق تشوي: «بينما يستجيب غشاؤنا الحساس جيدًا لمستويات الحموضة في المعدة (1.5 إلى 3.5)، فإن التفاوت بين الأفراد قد يؤثر على الأداء. لذلك، نعمل على تطوير أغشية متعددة الطبقات أو مزج البوليمرات لتوفير تحلل متدرج وأكثر دقة. وفي التطبيقات البيئية، مثل مراقبة المياه الملوثة، قد نضيف محفزات مزدوجة مثل درجات الحموضة والحرارة لزيادة الانتقائية والموثوقية». تحديات تواجه البطارية القابلة للذوبان بحسب الباحثين، فالبطارية الجديدة ما زالت في مرحلة «إثبات المفهوم»، أي أن البطارية الحالية لا تزال تحتاج إلى تطوير قبل دخولها السوق. نحن أمام نموذج أولي من وحدة واحدة، في حين تحتاج التطبيقات الواقعية إلى بطاريات متعددة موصولة على التوالي أو التوازي لرفع الجهد والتيار. يوضح تشوي: «نرى تطبيقات واعدة في التغليف الذكي للأغذية، حيث يمكن استخدام البطارية لتشغيل مؤشرات نضارة تتحلل مع العبوة. وكذلك في الأجهزة المستخدمة ميدانيًا في الجيش أو أثناء الكوارث، إذ قد يحتاج الجنود أو عمال الإغاثة إلى أجهزة تشخيصية قابلة للبلع ولا تحتاج إلى استرجاع». رغم هذه الإمكانيات الواعدة، فإن الفريق يقر بأن هناك تحديات أمام تعميم هذه التقنية، على رأسها زيادة كثافة الطاقة، وتمديد وقت التشغيل، وخفض تكاليف التصنيع، والحصول على الموافقات التنظيمية. ورغم اعتماد الباحثين على مواد آمنة بيئيًا، فإن مشروعهم لم يخل من بعض نقاط الضعف، مثل استخدام شمع البرافين في تصنيع البطارية، والذي لا يعد قابلاً للهضم. ويعلق تشوي: «صحيح أننا استخدمنا شمع البرافين لما يتمتع به من سهولة التشكيل والاستقرار البنيوي، لكنه ليس قابلًا للهضم بشكل كامل. لذا، نبحث حاليًا عن بدائل مثل الكبسولات المصنوعة من الجيلاتين، أو الأغلفة متعددة السكريات، أو حتى أفلام الكيتوسان، التي توفر حماية ميكانيكية مماثلة وتذوب بأمان في البيئات المائية أو الحمضية». تتجسد أهمية هذا الابتكار في قدرته على الجمع بين السلامة البيئية، والفعالية الحيوية، والتحكم الذكي. بطارية تُصنع من مواد غذائية، تعمل بالبكتيريا النافعة، وتتحلل تلقائيًا بعد أداء وظيفتها، وكأنها لم تكن. وربما بعد سنوات قليلة، عندما تبتلع جهازًا صغيرًا لقياس السكر أو تحليل مستوى الالتهاب في معدتك، لن تفكر كثيرًا فيما يحدث له بعد ذلك. فبفضل البكتيريا النافعة، سينهي مهمته، ويذوب في صمت.
جريدة الوطن
منذ 2 أيام
- جريدة الوطن
قوة خامسة
أعلن فريق دولي من العلماء من ألمانيا وسويسرا وأستراليا عن مؤشرات محتملة لوجود «قوة خامسة» للطبيعة، تتفاعل داخل نوى الذرات بطريقة لم ترصدها النماذج التقليدية. وكما هو معروف، تُفسّر جميع الظواهر الفيزيائية من خلال أربع قوى أساسية: الجاذبية، الكهرومغناطيسية، والقوتان النوويتان القوية والضعيفة. لكن هذا الاكتشاف الجديد يفتح الباب لاحتمال وجود قوة خامسة غير معروفة، تتوسط بين الجسيمات الذرية مثل الإلكترونات والنيوترونات، عبر ما يُعرف بـ«جسيم يوكاوا» الافتراضي. وبخلاف الدراسات السابقة التي ركّزت على آثار هذه القوة المفترضة على نطاق كوني، ركّز الباحثون في هذا البحث على ما يحدث في مدارات الإلكترونات حول نوى أربعة أنواع مختلفة من نظائر الكالسيوم. عندما يُمنح الإلكترون طاقة إضافية، ينتقل مؤقتًا إلى مدار أعلى، في عملية تُعرف بالانتقال الذري. وتوقيت هذا الانتقال يتأثر ببنية النواة، والتي تختلف من نظير إلى آخر بسبب عدد النيوترونات. ومن خلال رسم ما يُعرف بـ«مخطط كينغ» الذي يربط بين هذه الاختلافات، يمكن رصد أي انحراف غير متوقع عن النموذج القياسي للفيزياء.
