الأجهزة الطبية التي تعمل بالطاقة الشمسية: خلايا شمسية تشبه الإسفنج من أجل أجهزة تنظيم ضربات القلب بشكل أفضل
اخترع علماء جامعة شيكاغو نوعًا جديدًا من الخلايا الشمسية يمكن أن يحفز التكنولوجيا المفيدة.
مع تحسن تكنولوجيا الطاقة الشمسية، مع زيادة الكفاءة وانخفاض التكاليف، يستخدمها المزيد والمزيد من الأمريكيين لتزويد منازلهم بالطاقة. في الواقع، وفقًا لجمعية صناعات الطاقة الشمسية (SEIA)، هناك ما يقدر بنحو 97.2 جيجاوات (GW) من الطاقة الشمسية المركبة في الولايات المتحدة. للحصول على فكرة عن مقدار هذا، فهي تقريبًا الطاقة اللازمة لتشغيل 18 مليون منزل متوسط وتشكل أكثر من 3 ٪ من الكهرباء في الولايات المتحدة.
ولكن ماذا عن التطبيقات الصغيرة؟ هناك، يمكن أن يكون للطاقة الشمسية فوائد مهمة لا علاقة لها بالمزايا البيئية التي توفرها الطاقة الشمسية على نطاق واسع.
تساعد الثقوب في جعل الإسفنج والكعك الإنجليزي مفيدًا (وفي حالة الأخير، لذيذ). بدون ثقوب، لن تكون مرنة بما يكفي للانحناء إلى شقوق صغيرة، أو لتغذيتها بكمية مثالية من المربى والزبدة.
في دراسة جديدة، وجد علماء جامعة شيكاغو أن الثقوب يمكنها أيضًا تحسين االتكنولوجيا،بما في ذلك الأجهزة الطبية. نُشر البحث في Nature Materials ، وهو يصف طريقة جديدة تمامًا لصنع خلية شمسية: عن طريق حفر ثقوب في الطبقة العليا لجعلها مسامية.
يمكن أن يشكل الابتكار الأساس لجهاز تنظيم ضربات القلب الأقل توغلًا، أو الأجهزة الطبية المماثلة. يمكن إقرانها بمصدر ضوء صغير لتقليل حجم البطاريات الضخمة المزروعة حاليًا مع أجهزة تنظيم ضربات القلب الحالية.
قال ألكسندر برومينسكي ، المؤلف الأول في الورقة: “نأمل أن يفتح هذا العديد من الاحتمالات لمزيد من التحسينات في هذا المجال”.
صورة بالمجهر الإلكتروني المسح الضوئي للخلية الشمسية “الإسفنجية” بعد صنعها. النصف العلوي يظهر الطبقة المسامية. الائتمان: الصورة مجاملة من مختبر تيان
عمل خفيف
برومينسكي عضو في مختبر الكيميائي بوزهي تيان بجامعة شيكاغو، والمتخصص في ابتكار طرق لربط الأنسجة البيولوجية والمواد الاصطناعية – مثل الأسلاك لتعديل إشارات المخ وأسطح الغرسات الطبية .
أحد المجالات التي يهتمون بها هو صنع أجهزة يمكن تشغيلها بالضوء. نحن على دراية بهذه التقنية في شكل خلايا شمسية، لكن يمكنهم أيضًا استخدام أي مصدر ضوء، بما في ذلك المصادر الاصطناعية. عند العمل في الجسم، تُعرف هذه الأجهزة بالخلايا الكهروكيميائية الكهروضوئية ويمكن تشغيلها من الألياف الضوئية الدقيقة المزروعة في الجسم.
عادة، تتطلب الخلايا الشمسية طبقتين، والتي يمكن تحقيقها إما عن طريق دمج السيليكون مع مادة أخرى مثل الذهب، أو عن طريق خلط أنواع مختلفة من الذرات في كل طبقة من السيليكون.
لكن علماء UChicago في مختبر Tian وجدوا أنه بإمكانهم إنشاء خلية شمسية من السيليكون النقي إذا صنعوا طبقة واحدة مسامية، مثل الإسفنج.
يمكن أن يكون عرض الخلية اللينة والمرنة الناتجة أقل من خمسة ميكرونات ، أي بحجم خلية دم حمراء واحدة. يمكن بعد ذلك إقرانها بألياف بصرية، والتي يمكن أن تكون رفيعة مثل خصلة من شعر الإنسان – مما يقلل بشكل كبير من الحجم الكلي للزرع، مما يجعلها أكثر ملاءمة للجسم وأقل عرضة للتسبب في آثار جانبية.
تتمتع الخلية المسامية بمزايا متعددة مقارنة بطرق تصنيع الخلايا الشمسية التقليدية، مما يؤدي إلى تبسيط عملية الإنتاج مع الحفاظ على فعالية المنتج النهائي.
قال برومينسكي: “يمكنك صنعها في غضون دقائق، والعملية لا تتطلب درجات حرارة عالية أو غازات سامة”.
تمت إضافة مؤلف مشارك في الدراسة Jiuyun Shi: “عندما قمنا بقياسها، رأينا أن التيار الضوئي كان مرتفعًا حقًا – مرتان من حيث الحجم أعلى من تصميماتنا السابقة.”
من اليسار: المؤلفون المشاركون في الدراسة Pengju Li و Aleksander Prominski و Jiuyun Shi. الائتمان: جامعة شيكاغو
ثم لتعزيز قدرة المادة على تحفيز القلب أو الخلايا العصبية، يتم معالجتها ببلازما الأكسجين لأكسدة الطبقة السطحية. قال تيان إن هذه الخطوة غير بديهية بالنسبة للكيميائيين، لأن أكسيد السيليكون غالبًا ما يعمل كعزل، و “لا تريد أن يتم إعاقة التأثير الكهروكيميائي الكهروضوئي بواسطة أي مواد عازلة”. ومع ذلك، في هذه الحالة، تساعد الأكسدة في الواقع بجعل مادة السيليكون محبة للماء – تنجذب إلى الماء – مما يعزز الإشارة إلى الأنسجة البيولوجية. قال Pengju Li ، وهو مؤلف مشارك آخر في الدراسة: “أخيرًا، بإضافة طبقة من أكسيد المعدن بسمك قليل من الذرات، يمكنك زيادة تعزيز خصائص الجهاز”.
نظرًا لأنه يمكن جعل جميع المكونات قابلة للتحلل البيولوجي، يمكن للعلماء تخيل التكنولوجيا المستخدمة في إجراءات القلب قصيرة المدى. بدلاً من إجراء عملية جراحية ثانية للإزالة، ستتحلل الأجزاء بشكل طبيعي بعد بضعة أشهر. قد يكون النهج المبتكر مفيدًا أيضًا بشكل خاص لإجراء يسمى علاج إعادة التزامن القلبي الذي يسعى إلى تصحيح عدم انتظام ضربات القلب حيث لا تنبض غرف القلب اليمنى واليسرى في الوقت المناسب، لأنه يمكن وضع الأجهزة في مناطق متعددة من القلب لتحسين التغطية.
برومينسكي متحمس أيضًا بشأن التطبيقات الممكنة لتحفيز الأعصاب. وقال: “يمكنك أن تتخيل زرع مثل هذه الأجهزة في الأشخاص الذين يعانون من تنكس عصبي مزمن في الرسغين أو اليدين، على سبيل المثال، من أجل تخفيف الآلام”.
يمكن أن تكون هذه الطريقة الجديدة لصنع الخلايا الشمسية ذات فائدة أيضًا للطاقة المستدامة أو غيرها من التطبيقات غير الطبية. نظرًا لأن هذه الخلايا الشمسية مصممة للعمل بشكل أفضل في بيئة سائلة، يعتقد علماء جامعة شيكاغو أنه يمكن استخدامها في تطبيقات مثل الأوراق الاصطناعية والوقود الشمسي.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
