علماء صينيون يستخدمون "النقاط الكمومية" لتحقيق طفرة في الصناعة
ويقول أحمد قاسم، الباحث في قسم الكيمياء بجامعة فرجينيا كومنولث الأميركية، وغير المشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "تخيل عالما يُمكن فيه لأشعة الشمس وحدها تشغيل تفاعلات كيميائية معقدة، وتحويل الجزيئات الصعبة إلى أدوية منقذة للحياة أو مواد مستدامة بأقل قدر من الطاقة والنفايات. قد تتحقق هذه الرؤية بفضل هذا الاكتشاف الرائد في تكنولوجيا النانو".
وبحسب الدراسة المنشورة في دورية "نيتشر كوميونيكيشنز"، فإن التقنية ترتكز على آلية نانوية تسمح بإطلاق إلكترونات عالية الطاقة، تُعرف بـ"الإلكترونات الساخنة"، وعند تعرض النقاط الكمومية لضوء مرئي، هذه الإلكترونات الساخنة قادرة على تكسير روابط كيميائية كانت تُعتبر خاملة أو تتطلب ظروفا قاسية لتفكيكها.
جنود مجهولون
المحفز هو مادة تُسرّع التفاعل الكيميائي من دون أن تُستهلك أو تتغير في النهاية. تخيّل أن لديك نارا وتريد استخدامها في إشعال الفحم بسرعة. إذا وضعت ورقا أو سائلا مثل الكحول، فسيساعد الفحم على الاشتعال أسرع، لكن الورق نفسه لا يتحول إلى فحم. الورق هنا مثل المحفز، يسرّع العملية لكنه لا يتحول إلى المنتج النهائي، أي لا يتحول إلى فحم مشتعل.
وفي الصناعة، تعمل المحفزات كجندي مجهول، إذ تقوم عليها أكبر الصناعات. تفكك المحفزات جزيئات النفط الكبيرة إلى وقود مثل البنزين والديزل. كما لا يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الهيدروجين لصنع الأمونيا صناعيا إلا عبر محفز معدني. حتى في حياتنا اليومية، تحتوي المنظفات على محفزات تحلل الدهون أو البروتينات في الملابس. كما يعمل محفز السيارة على تحويل الغازات السامة في العادم إلى غازات أقل ضررا، وغيرها من الأمثلة.
وتقدم التقنية الجديدة حلا بديلا للتفاعلات التي كانت تعتمد في السابق على معادن قلوية أو درجات حرارة عالية بحسب قاسم، والذي يضيف "تتطلب العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية في الصناعات الدوائية وعلوم المواد ظروفا قاسية. لكن هذا النهج الجديد يستخدم ما يسمى "الإلكترونات الساخنة"، وهي إلكترونات عالية الطاقة تُولّدها النقاط الكمومية تحت ضوء منخفض الكثافة، لتنشيط الجزيئات بسلاسة وكفاءة ومن ثَم تتفاعل تحت ظروف كيميائية معتدلة".
ويُعيد هذا الابتكار تعريف مفهوم التحفيز الضوئي، إذ يثبت أن بالإمكان تسخير أشعة الشمس، حرفيا، للقيام بتفاعلات كانت تتطلب معدات ضخمة أو مواد خطرة أو طاقة هائلة. وبفضل تقنية النقاط الكمومية المُطعّمة بعناية بأيونات المنجنيز، أصبحت الكيمياء أكثر قربا من الضوء، وأقرب إلى البيئة.
هندسة معمارية نانوية
النقاط الكمومية هي جزيئات نانوية صغيرة جدا، أصغر ألف مرة من عرض شعرة الإنسان، ومصنوعة من مواد شبه موصلة، وتتميز بقدرتها على امتصاص وإطلاق الضوء بطريقة مميزة حسب حجمها.
تخيّل أنك تمتلك مجموعة من الكرات الزجاجية الصغيرة مختلفة الأحجام، وكل واحدة منها تضيء بلون مختلف عندما تسلط عليها الضوء. كلما صغر حجم الكرات، تغير لون الضوء الخارج منها، وهذا يشبه ما يحدث مع النقاط الكمومية، والتي تكمن أهميتها في قدرتها على التحكم في اللون، والطاقة، وطريقة تفاعلها مع الضوء أو الكهرباء.
النقاط الكمومية موجودة في حياتنا بالفعل، في أجهزة التلفزيون، فيما يعرف بتقنية "الكيوليد" المعروفة بألوانها الزاهية ودقتها العالية، كما تستخدم في تتبع الخلايا السرطانية داخل الجسم لأنها تضيء بطريقة واضحة.
وتبدأ صناعة المحفز الشمسي الجديد بتكوين نواة من كبريتيد الكادميوم المثالية للنقاط الكمومية، إذ تمتص الضوء المرئي بكفاءة، وتُطلق إلكترونات عالية الطاقة أو ما يعرف باسم (الإلكترونات الساخنة) عندما تُضاء. كما يسهل التحكم في حجمها وشكلها أثناء التصنيع النانوي، وهذا يسهل من تغيير خصائصها البصرية. ولكن الإلكترونات الساخنة التي ينتجها كبريتيد الكادميوم طاقتها محدودة، وعمرها قصير، أي أنها ليست كافية لتفعيل التفاعلات الكيميائية الصعبة.
من هنا تأتي الحاجة لتطعيم النواة بأيونات المنجنيز ذات القدرة الخارقة على تخزين الطاقة مؤقتا. ويعمل مثل محطة تقوية لطاقة الإلكترونات، فيمسك بالإلكترون مؤقتا، ثم يعيد ضخه بطاقة أعلى في اللحظة المناسبة. ثم تنتهي العملية بتغليف النواة المُطعمة بطبقة رقيقة من كبريتيد الزنك. هذه الطبقة النهائية تثبت البنية وتقلل من العيوب السطحية وتحسن التفاعل بين المكونات، ما يعزز نقل الطاقة داخل الجسيمات النانوية ويزيد من كفاءة توليد الإلكترونات الساخنة.
ويعلق قاسم "عند إضاءة المحفز بالضوء المرئي، تولد النقاط الكمومية المطعمة بالمنجنيز إلكترونات عالية الطاقة. إذ تتضمن هذه الآلية نقلا فائق السرعة للطاقة بين أيونات المنجنيز المُثارة والنقاط الكمومية. وتنتقل الإلكترونات الساخنة بعد ذلك إلى المركبات العضوية مما يُحفز تفاعلات صعبة مثل إزالة الهالوجينات، واختزالات بيرش، وانقسام الروابط الخاملة عند جهود اختزال قصوى تصل إلى 3.4- فولتات، وهي حدود كان من الصعب الوصول إليها إلا في ظل ظروف قاسية".
إنجازات تحت بصيص ضوء
من المذهل أن هذه التقنية تعمل تحت شدة إضاءة منخفضة جدا، بكثافة ضوء أقل من الإشعاع الشمسي المعتاد. ويعلق قاسم "إن تحقيق تفاعلات تحفيز ضوئي في ظل شدة إضاءة منخفضة، ضمن نطاق ضوء الشمس الطبيعي، يجعل هذه التقنية قابلة للتطبيق في مجالات الطاقة الشمسية من دون الحاجة إلى مصادر إضاءة صناعية مكثفة".
إعلان
وقد نجح الفريق في إحدى التجارب في استخدام الضوء الأزرق لتحفيز التفاعل الكيميائي، وحققوا نسبة إنتاج وصلت إلى 88% من المنتج المستهدف بتركيز محفز منخفض جدا تبلغ 0.001 مول%. وهو ما يمثل أعلى كفاءة باستخدام محفزات تعتمد على النقاط الكمومية.
ويمكن أن تشمل التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية إنتاج الأدوية الفعالة بتكلفة أقل، وإعادة تدوير المواد الكيميائية الملوثة، وتحفيز تفاعلات عضوية معقدة في ظروف طبيعية، وبناء منصات للطاقة الكيميائية تعمل بالطاقة الشمسية. ويشير قاسم إلى الأثر الأكبر لهذا الابتكار قائلا: "سواء كان الأمر يتعلق بتصنيع أدوية جديدة، أو إعادة تدوير مواد، أو تنظيف البيئة، فإن هذه النقاط الكمومية ستشكل ثورة في كيفية بناء جزيئات المستقبل".
إنها خطوة جديدة نحو كيمياء خضراء أكثر ذكاءً، وقد تقود مستقبلا مختلفا تماما؛ إذ تصبح الشمس مصدرا مركزيا للطاقة على كوكبنا للتجاوز دورها في ولادة كوكبنا وتغذية نباتاته إلى صناعته وتقدمه وطاقته وازدهاره.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ 4 ساعات
- الجزيرة
علماء: تدهور الفطريات الجذرية يدمر التنوع البيولوجي
أشارت دراسة جديدة إلى أن الشبكات الموجودة تحت الأرض من الفطريات، التي تدعم النظم البيئية على الكوكب، تتدهور بسرعة، وهي بحاجة إلى إجراءات عاجلة للحفاظ عليها، إذ توجد 9.5% فقط من المناطق الرئيسية للتنوع البيولوجي الفطري ضمن المناطق المحمية القائمة. وتوجد الفطريات الجذرية على جذور النباتات، وتُساعد في تنظيم مناخ الأرض وأنظمتها البيئية، كما تُزوّد شبكاتها المعقدة النباتات بالعناصر الغذائية الأساسية، بينما تسحب أكثر من 13 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا إلى التربة، أي ما يعادل ثلث الانبعاثات العالمية من الوقود الأحفوري تقريبا. وقد يؤدي فقدان هذه الأنظمة البيئية إلى انخفاض في معدل امتصاص الكربون، وانخفاض إنتاجية المحاصيل، وضعف قدرة النظام البيئي على الصمود في مواجهة الظروف المناخية القاسية، حسب الدراسة. وقام علماء من جمعية حماية الشبكات تحت الأرض " سبان" (Spun) بإنشاء أول خرائط عالية الدقة للتنوع البيولوجي للنظم البيئية الفطرية تحت الأرض. ووجدت الدراسة، التي نُشرت في مجلة "نيتشر" أن 90% من بؤر التنوع البيولوجي للفطريات الجذرية تقع في أنظمة بيئية غير محمية. وقال الدكتور توبي كيرز، المدير التنفيذي لمؤسسة "سبان"، إن تلك الفطريات الأساسية "ظلت في الظلام، على الرغم من الطرق غير العادية التي تدعم بها الحياة على الأرض". وأشار إلى أن الفطريات تُعيد تدوير العناصر الغذائية، وتُخزن الكربون، وتدعم صحة النبات، وتُكوّن التربة. وعندما نُعطّل هذه العناصر الحيوية في النظام البيئي، يتباطأ تجديد الغابات، وتفشل المحاصيل، ويبدأ التنوع البيولوجي فوق الأرض بالتفكك. وقبل 450 مليون سنة، لم تكن هناك نباتات على الأرض، وبفضل هذه الشبكات الفطرية الجذرية، استعمرت النباتات الكوكب وبدأت تدعم الحياة البشرية. وقال كيرز إنه "إذا كانت لدينا شبكات فطرية صحية، فسوف نحصل على إنتاجية زراعية أكبر، وأزهار أكبر وأجمل، ويمكننا حماية النباتات من مسببات الأمراض". وأطلقت شركة "سبان" هذه المبادرة في عام 2021 بالتعاون مع عدة منظمات دولية وباحثين من جميع أنحاء العالم لرسم خريطة للشبكات غير المدروسة من الفطريات. وباستخدام تقنيات التعلم الآلي على مجموعة بيانات تحتوي على أكثر من 2.8 مليار تسلسل فطري تم أخذ عينات منها من 130 دولة، تمكن العلماء من التنبؤ بتنوع الفطريات الجذرية على نطاق كيلومتر مربع واحد عبر الكوكب. واكتشف الباحثون أن 9.5% فقط من هذه البؤر الحيوية للتنوع البيولوجي الفطري تقع ضمن المناطق المحمية القائمة، مما يكشف عن فجوات هائلة في مجال الحفظ. يُمثل هذا البحث أول تطبيق علمي واسع النطاق لمبادرة رسم الخرائط العالمية، التي "تتجاوز مجرد أدوات علمية، بل يُمكنها أن تُسهم في توجيه مستقبل الحفاظ على البيئة"، حسب الدكتور مايكل فان نولاند، الباحث الرئيسي في الدراسة. وقال نولاند: "نظرا لتأثير هذه التكافلات الفطرية على صحة النظم البيئية للأرض ووظائفها، فإن الاستمرار في تجاهلها قد يُمثل فرصة ضائعة للغاية"، مشيرا إلى أن الفطريات تستجيب بشكل سلبي للضغوط البشرية، وبدون معالجة الخسارة المحتملة لهذه الفطريات الحيوية، فقد نفقد قدرتنا على تطوير حلول مناخية طبيعية جديدة، وباعتبارها ضرورية للإنتاجية الزراعية وصحة الإنسان. من جهتها، قالت الدكتورة ريبيكا شو، كبيرة العلماء في الصندوق العالمي للطبيعة، إن الحفاظ على الفطريات الفطرية وحمايتها يمكن أن يساعد في حل بعض أعظم التحديات التي يواجهها العالم، والمتمثلة في انخفاض التنوع البيولوجي، وتغير المناخ، وانخفاض إنتاجية الغذاء. ويضم فريق "سبان" الدولي أكثر من 400 عالم و96 مستكشفا تحت الأرض من 79 دولة، ويقوم بأخذ عينات من النظم البيئية الجوفية الأكثر بعدا والتي يصعب الوصول إليها على وجه الأرض، بما في ذلك منغوليا وبوتان وباكستان وأوكرانيا.
الجزيرة
منذ 11 ساعات
- الجزيرة
"ميتا" تعمل على سوار للتحكم في الحواسيب لمساعدة ذوي التحديات الحركية
يعمل باحثو " ميتا" على تطوير سوار جديد يتيح للمستخدمين التحكم في الحواسيب باستخدام إشارات اليد في تعاون جديد بين الشركة وجامعة كارنيجي ميلون وفق التقرير الذي نشره موقع "تيك كرانش" التقني. ويعتمد هذا السوار على تقنية التخطيط الكهربائي للعضلات، وهي تقنية تكتشف الإشارات الكهربائية الناتجة عن نشاط العضلات، مما يتيح للسوار توقع الحركة الذي كان المستخدم يرغب في القيام بها، حسب التقرير. وتهدف "ميتا" عبر تطوير هذا السوار إلى توفير آليات تحكم في الحواسيب لذوي التحديات الحركية دون الحاجة لعمليات جراحية خطيرة، إذ تعمل الشركة على اختباره مع ذوي الإصابات الخطيرة في العمود الفقري، كما أشار التقرير. ويوضح دوغلاس ويبر الأستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية ومعهد علوم الأعصاب أثناء حديثه مع "تيك كرانش" أن المصابين بشلل حركي كامل يظهرون بعض النشاط العضلي الناتج عن الإشارات الكهربائية، وهذا سيكون كافيا للجهاز لترجمته إلى حركات والتحكم في الحاسوب. ويمثل السوار خطوة أقل خطرا من شريحة "نيورالينك" (Neuralink) التي يعمل إيلون ماسك على تطويرها، كما أنه يوفر آلية تحكم أكثر فعالية من خوذة تخطيط إشارات الكهرباء الدماغية، وفق التقرير. وفضلا عن ذلك، يمكن استخدام سوار "ميتا" بشكل مباشر وفوري دون الحاجة لتدخل طبي أو كافة الإجراءات المتعلقة به، فكل ما يحتاجه المستخدم هو امتلاك السوار وتثبيته في يده فقط. ويشير التقرير إلى أن سوار "ميتا" الجديد يعتمد على دراسة نشرت في مجلة "نيتشر" تؤكد دور إشارات الكهرباء العضلية والقدرة على تخطيطها، كما تشير إلى أنها تكون أقوى وأكثر وضوحا من إشارات الكهرباء الدماغية، لذا فنتيجتها ستكون أفضل.
الجزيرة
منذ يوم واحد
- الجزيرة
حكومة ترامب تضع مزيدا من القيود على تصدير شرائح الذكاء الاصطناعي
أوصت حكومة ترامب الأيام الماضية بوضع مزيد من القيود على تصدير شرائح الذكاء الاصطناعي عبر التحقق من موقع الشرائح المباعة، وهي الخطوة التي لاقت ترحيبا واسعا من الحزبين في الكونغرس، وفق ما جاء في تقرير رويترز. وتأتي هذه التوصية ضمن مخطط لنشر تقنيات الذكاء الاصطناعي الأميركية حول العالم ومشاركتها مع حلفاء أميركا بعد خفض القيود البيئية الصارمة لتسريع بناء مراكز الذكاء الاصطناعي، حسب تقرير رويترز. كما تحاول الحكومة الأميركية تقويض وصول الشرائح إلى منافسيها وأعدائها في أثناء خطة توسيع رقعة الذكاء الاصطناعي الأميركي، وذلك عبر استخدام مزايا تحديد المواقع الموجودة في شرائح "إنفيديا" و"إيه إم دي"، حسبما أشار التقرير. وحاز هذا الاقتراح موافقة واسعة من الحزبين داخل مجلس الشيوخ الأميركي، لأنه يقوض وصول الشرائح المتطورة إلى الصين والدول التي تضع عليها حكومة ترامب العقوبات. ولا تزال آلية تطبيق هذه التوصية مجهولة حتى الآن، إذ يقع تنفيذها على عاتق الشركات التقنية، في محاولة منهم لإيجاد آلية متلائمة مع القانون، وذلك وفق ما جاء في تقرير رويترز. وفي حديثه مع رويترز، أوضح النائب بيل فوستر -وهو ديمقراطي من ولاية إلينوي ساعد في تقديم مشروع قانون تحديد موقع الشريحة سابقا في مايو/أيار- أن خطوة تأكيد موقع الشرائح تمهد لخطوة أهم وهي إمكانية التحقق من موقع المستخدم النهائي لكافة الشرائح الأميركية. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الخطوة تأتي عقب زيارة الرئيس التنفيذي لشركة "إنفيديا" إلى الصين وإعلانه استكمال شحنات البطاقات المخصصة للذكاء الاصطناعي للشركات الصينية بعد موافقة الحكومة الأميركية، وفق ما جاء في تقرير منفصل من رويترز.
