علماء يبنون بطارية تعمل بطاقة البكتيريا على لوح واحد من الورق!
بدلا من طلب البطاريات في عُلب، سنحصل عليها في ماعون ورق مستقبلًا. صنع باحثون من جامعة بينغامتون (Binghamton University) وجامعة ولاية نيويورك في الولايات المتحدة بطارية بطاقة البكتيريا على ورقة واحدة يمكنها توليد إلكترونات تستعمل لمرة واحدة.
هذه التقنية الصناعية تختزل الوقت والتكلفة، وسيُحدث هذا التصميم ثورة في كيفية استخدام البطاريات الحيوية مصدرًا للطاقة في المناطق البعيدة، والخطيرة ومحدودة الموارد.
يقول الأستاذ المساعد سيوخيون سين تشوي (Seokheun “Sean” Choi)، من قسم الهندسة الإلكترونية والحاسوبية في مدرسة توماس ج. واطسون للهندسة والعلوم التطبيقية، ورئيس مخبتر الإلكترونيات الحيوية والأنظمة الدقيقة في بينغامتون: «تُعدّ الـPapertronics طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لتوليد طاقة تستعمل لمرة واحدة في مستشعرات التشخيص لمستويات الرعاية، وهي أجهزة قائمة ومكتفية بذاتها، تعتمد على الورق، وصالحة لاستخدامها بمجال قياس مستوى الرعاية الصحية، وهي ضرورية لتأمين علاجات فعّالة ومنقذة للحياة في الحالات محدودة الموارد.»
وضع تشوي والمرشح للدكتوراه يانغ غاو، المؤلف المساعد في هذا العمل،على نصف قطعة من الورق المستشرب* شريطًا من نترات الفضّة تحت طبقة رقيقة من الشمع لصنع مهبط (cathode).
وصَنعا مستودعًا من البوليمر الموصل (conductive polymer) على النصف الآخر من الورقة، الذي أدى دور المصعد (anode).
وحالما تطوى بدقة ويضاف إليها بعض القطرات من السائل المليء بالبكتيريا، سيُشغِّل التنفّس الخلوي للميكروبات البطاريةَ.
يقول تشوي: «يتطلب الجهاز طبقات لتضمين المكونات، كالمصعد والمهبط والـPEM (Proton Exchange Membrane – غشاء تبادل البروتونات). وتحتاج البطارية النهائية إلى تركيب يدويٍّ، وهناك بعض الأمور المحتملة الحدوث كالاصطفاف الخاطئ لطبقات الورق والفجوات العمودية بين الطبقات، والتي بلا شك ستقلل من توليد الطاقة.»
ستحسن الطرائق المختلفة للطي والتكديس من الطاقة والإنتاج بشكل مهم. فقد تمكن العلماء من توليد 31.51 ميكروواط من 125.53 ميكروب في ست بطاريات في ثلاث سلاسل متوازية، و44.85 ميكروواط من 105.89 ميكروب في ترتيب سداسي 6×6.
سيحتاج الأمر لملايين البطاريات الورقية لتوليد طاقة لمصباح 40 واط، لكن في حالة الكوارث وساحات المعارك فإن سهولة الإستخدام والحمل أمر مهم. بالإضافة لذلك، تمتلك هذه البطاريات طاقة كافية لتشغيل الحساسات الحيوية التي تراقب مستويات الغلوكوز عند مرضى السكري، وتحديد العامل الممرض في الجسم أو القيام بالوظائف الأخرى المهمة للحياة.
يقول تشوي: «من بين العديد من البطاريات الورقية المتكاملة والمرنة مع الجانب الكبير الجيّد منها، فإن تقنية الوقود الورقي للخلية الميكروبية هي الأكثر تخلّفًا بشكل مثير للجدل، نحن سَعِيدُون لذلك لأن العضيات الميكروبية ستكسب طاقة كهربائية من أي نوع من المصادر البيولوجية التدرّك، كالفضلات السائلة المتوفرة دائمًا.
أنا أومن بأن هذا النوع من البطاريات الحيوية الورقية سيكون مستقبل مصدر الطاقة للـPapertronics.»
هذا الابتكار هو الخطوة الأخيرة في تطور البطارية الورقية عند تشوي. طوّر فريقه أول نمط بدئي ورقي في 2015، والتي كانت بطارية قابلة للطي تشبه دفتر الثقاب. في مطلع هذه السنة كشفوا عن تصميم مستوحى من وشاح النجم نينجا.
العمل الحالي متاح على الأنترنت في دورية (Advanced Materials Technologies) وسيقدم في مؤتمر (IEEE MEMS 2017) في لاس فيغاس نيفادا في 22، 26 كانون الثاني المقبل.
*الاستشراب أو التّفريق اللوني (الكروماتوجرافيا – Chromatography): طريقة لفصل وتنقية المواد الكيميائية المختلطة. تعتمد الطريقة على أن مكونات المخلوط توزع نفسها بنسب مختلفة بين مكوني نظام ثنائي أحدهما متحرك والآخر ثابت.
ترجمة: مصطفى بجود
تدقيق: إسماعيل الحسناوي
المصدر
