يستخدم العلماء تقنية كيميائية فائزة بجائزة نوبل لتحقيق اختراق في مجال الطاقة النظيفة

تقنية جديدة ثلاثية الأبعاد تستخدم الجسيمات النانوية لإنتاج الطاقة ! استخدم العلماء تقنية كيميائية حائزة على جائزة نوبل في مزيج من المعادن لتخفيض تكلفة خلايا الوقود المستخدمة في السيارات الكهربائية بشكل كبير وتقليل الانبعاثات الضارّة من السيارات التقليدية. قام الباحثون بترجمة تقنية بيولوجية، فازت بجائزة نوبل للكيمياء عام 2017، للكشف عن كيمياء ذريّة في جزيئات معدنية نانوية . هذه الجزيئات تتألف منها واحدة من المواد المحفّزة الأكثر فعالية لأنظمة تحويل الطاقة مثل خلايا الوقود.

هذه الجزيئات النانوية لها شكل نجمة وهي تحتوي على هندسة معقدة، ويظهر هذا العمل الجديد أن الحواف والزوايا يمكن أن يكون لها كيمياء مختلفة يمكن ضبطها الآن لتقليل تكلفة البطاريات والمحفّزات الكيميائية. جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2017 تمّ منحها لخواكيم فرانك (Joachim Frank) وريتشارد هندرسون (Richard Henderson) وجاك دوبيشيت (Jacques Dubochet) لدورهم الريادي في تقنية إعادة بناء الجسيمات الفردية.

وقد كشفت هذه التقنية التي تستخدم المجهر الإلكتروني عن بنية عدد كبير من الفيروسات والبروتينات، ولكنها لا تستخدم عادة للمعادن. الآن، قام فريق من جامعة مانشستر بالتعاون مع باحثين في جامعة أكسفورد وجامعة ماكواري، ببناء خرائط ثلاثية الأبعاد لحبيبات نانوية معدنية تتكون من بضعة آلاف من الذرات فقط، بالاعتماد على هذه التقنية الفائزة بجائزة نوبل.

هذا البحث الذي نُشر في دورية (Nano Letters)، أظهر أنه من الممكن رسم خرائط ثلاثية الأبعاد لعناصر مختلفة في مقياس النانومتر. الجسيمات النانوية المعدنية هي المكون الأساسي في العديد من المحفزات، مثل تلك المستخدمة لتحويل الغازات السامة في عوادم السيارات. تعتمد فعاليتها بشكل كبير على هيكلها وطبيعتها الكيميائية، ولكن بسبب هيكلها الصغير بشكل لا يصدّق، فلا يمكن تصويرها إلّا باستخدام المجهر الإلكتروني.

ومع ذلك، فإن معظم التصوير يقتصر على إسقاطات ثنائية الأبعاد. وقالت الأستاذة سارة هاي (Sarah Haigh) من كلية هندسة المواد بجامعة مانشستر: «لا زلنا نحقق في استخدام التصوير المقطعي في المجهر الإلكتروني لرسم خرائط ثلاثية الأبعاد للعيّنة لبعض الوقت».

وأضافت: «عادة ما نقوم بجعل العينة تدور ونلتقط الصور من جميع الزوايا، كما تستخدم الأشعة المقطعية في المستشفى، ولكن هناك مشكلة تواجه الباحثين وهي أن العينة كانت تتدمر بسرعة قبل أن يتمكنوا من بناء صورة ثلاثية الأبعاد. أما البيولوجيون فيستخدمون مقاربة مختلفة للتصوير ثلاثي الأبعاد. ونحن قررنا استكشاف ما إذا كان من الممكن استخدامها مع التقنيات الطيفية لتحليل العينات النانوية وتبيين العناصر المكونة لها».

وأكملت: «تعمل هذه التقنية عن طريق تصوير العديد من الجسيمات وعلى افتراض أنها كلها متطابقة في البنية، ولكن تترتّب في اتجاهات مختلفة بالنسبة للشعاع الإلكتروني. ترسل هذه الصور بعد ذلك إلى كمبيوتر ينتج مجسمًا ثلاثي الأبعاد للعيّنة». في هذه الدراسة، استُخدمت طريقة التصوير الكيميائي ثلاثيّة الأبعاد الجديدة لفحص الجسيمات النانوية المعدنية من النيكل (Pt-Ni).

وأضاف المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة، يي-تشي وانغ (Yi-Chi Wang)، وهو أيضًا من كلية هندسة المواد: «تعتبر الجسيمات النانوية المعتمدة على البلاتين واحدة من أكثر المواد الحفازة فاعلية واستخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات مثل خلايا الوقود والبطاريات. هذه الرؤية الجديدة حول التقنية ثلاثية الأبعاد يمكن أن تساعد الباحثين على تصميم محفزات أفضل منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة».

أما المؤلف الدكتور توماس سلاتر (Thomas Slater) وهو أحد المؤلفين أيضًا فقال: «إننا نهدف إلى جعل تقنية البناء الجزيئي الثلاثية الأبعاد أوتوماتيكية في المستقبل، كما نأمل أن توفّر هذه التقنية طريقة سريعة وموثوقة لتصوير الجزيئات النانوية التي نحتاجها بشكل عاجل لتسريع التطويرات في مجال الجسيمات النانوية الضرورية لتطبيقات واسعة النطاق بما في ذلك الاستشعار البيولوجي الحيوي، والثنائيات التي ينبعث منها الضوء، والخلايا الشمسية».