طور مهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والجامعة التقنية في ميونخ نوعًا جديدًا من خلية وقود تعمل بالجلوكوز الذي يمد خلايا جسمنا بالطاقة، إذ تحول الجلوكوز مباشرة إلى كهرباء.
يبلغ سمك الخلية 400 نانومتر فقط أو نحو 1% من قطر شعرة الإنسان، وتولد نحو 43 ميكروواط لكل سنتمتر مربع من الكهرباء، محققة بذلك أعلى كثافة طاقة ولدتها خلية وقود الجلوكوز وبحجم أصغر حتى الآن.
قلب الجهاز الجديد مصنوع من السيراميك، المادة التي تحتفظ بخصائصها الكهروكيميائية حتى في درجات الحرارة العالية، لذلك هو قادر على تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية، ويمكن دمجه في عمليات الزرع الطبي التي تتطلب عمليات تعقيم ذات درجة حرارة عالية للأجهزة التي ستُزرع، إذ يمكن تحويله إلى أغشية رقيقة ملفوفة حول الأجهزة المزروعة لتشغيل الجهاز القابل للزرع.
يقول فيليب سيمونز المطور للتصميم كجزء من أطروحة الدكتوراه في قسم علوم المواد وهندستها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: «إن الفكرة هي حصد طاقة الجلوكوز المتاحة بسهولة واستخدامها في تشغيل الأجهزة القابلة للزرع». وقد شارك زملاء سيمونز في الدراسة، وهم روب وستيفن شينك وماركو جيسيل ولورينز أولبريتش.
تقول المشرفة على البحث جينيفر روب الأستاذة في كيمياء الحالة الصلبة في الجامعة التقنية في ميونخ: «بدلًا من استخدام بطارية قد تشغل 90٪ من حجم الزرع، يمكن صنع جهاز بغشاء رقيق وسيكون لدينا مصدر طاقة دون التأثر بالحجم».
تتحدث روب عن الإلهام الذي جاء لهذه الفكرة عام 2016، إذ كانت تجري اختبار جلوكوز روتيني في نهاية فترة حملها، قالت: «كنت أفكر فيما يمكن فعله بالسكر والكيمياء الكهربائية، ثم أدركت أنه من الأفضل أن يكون لديك جهاز يعمل بالجلوكوز، والتقيت مع فيليب ووضعنا الرسومات الأولى على منديل».
على الرغم من تقديم الفكرة مسبقًا في الستينيات فإن خلايا وقود الجلوكوز في ذلك الوقت كانت تعتمد على البوليمرات اللينة، وسرعان ما تجاوزتها بطاريات الليثيوم، ومع ذلك فإن قدرة البطاريات محدودة لمدى صغر حجمها، ويتطلب تصميمها سعة لتخزين الطاقة.
يقول روب: «لا تحتاج خلايا الوقود إلى حجم كبير لتخزين الطاقة؛ لانها تحوّل الطاقة مباشرة بدلًا من تخزينها».
تتكون خلية وقود الجلوكوز من ثلاث طبقات: القطب الموجب العلوي (الأنود)، الإلكتروليت الأوسط، والكاثود السفلي. يتفاعل الأنود مع الجلوكوز في سوائل الجسم ويحوّل السكر إلى حمض الجلوكونيك، يطلق هذا التحويل الكهروكيميائي زوجًا من البروتونات وزوجًا من الإلكترونات، كما يعمل الإلكتروليت الأوسط على فصل البروتونات عن الإلكترونات موصلًا البروتونات عبر خلية الوقود حيث تتحد مع الهواء لتكوين جزيئات من الماء، وفي الوقت نفسه تتدفق الإلكترونات المعزولة إلى دائرة خارجية حيث يمكن استخدامها لتشغيل جهاز إلكتروني.
يعمل الفريق على تحسين طبقة الإلكتروليت التي غالبًا ما تُصنع من البوليمرات القادرة على توصيل البروتونات والتي تتحلل بسهولة في درجات الحرارة العالية، ومن الصعب الاحتفاظ بها عند تقلصها إلى أبعاد نانومترية ويصعب تعقيمها.
صمم الباحثون خلية جلوكوز مع طبقة إلكتروليت مصنوعة من سيريا، وهي مادة من السيراميك لها قدرة عالية على التوصيل الأيوني، تُستخدم على نطاق واسع كإلكتروليت في خلايا وقود الهيدروجين وهي متوافقة حيويًا.
تُدرس هذه المادة في أبحاث السرطان ومشابهة للزركونيا التي تستخدم في زراعة الأسنان، وحصرها الفريق بقطب موجب وكاثود مصنوع من البلاتين وهي مادة مستقرة تتفاعل بسهولة مع الجلوكوز.
صنع الفريق 150 خلية وقود على شريحة، سُمك كل خلية نحو 400 نانومتر وعرضها نحو 300 ميكرومتر (عرض نحو 30 شعرة بشرية)، نقشوا الخلايا على رقاقات سيليكون وبعد ذلك قاسوا التيار الناتج عن كل خلية، وجدوا أن العديد من الخلايا تنتج جهدًا يبلغ نحو 80 ملي فولت، ونظرًا إلى الحجم الصغير للخلية فإن هذا الناتج هو أعلى كثافة لطاقة خلية وقود تعمل بالجلوكوز.
يقول روب: «يحدد هذا نوعًا جديدًا من الكيمياء الكهربائية ويوسع حالات استخدام المواد من خلايا وقود الهيدروجين إلى حالات تحويل الجلوكوز إلى طاقة في المواد الكهروكيميائية».
يقول ترولس نوربي أستاذ الكيمياء في جامعة أوسلو في النرويج: «فتح الباحثون طريقًا جديدًا لمصادر الطاقة المصغرة التي استخدموا فيها مادة السيراميك غير السامة ورخيصة الثمن لأجهزة الزرع».
اقرأ أيضًا:
اكتشاف طريقة لتوليد الكهرباء من الدموع
صنع جهاز قادر على توليد الكهرباء من الظل
ترجمة: تسنيم فندقلي
تدقيق: عبد المنعم الحسين
