هلامة موصِّلة يمكنها إعادة تشكيل المستشعرات

تُبدي هلامة مائية مركَّبة تشتمل على صفائح نانوية ثنائية الأبعاد خواصَّ فيزيائية وموصليّة رائعة، مما يجعلها مناسبةً لاستشعار الحركات المعقدة. وقد ينتج عن ذلك تطبيقات في الإلكترونيات القابلة للارتداء، وعلم الروبوتات المرنة، واختبارات الصحة ومراقبتها في مراكز الرعاية.

صُنعت الهلامة المائية من قِبَل فريق من الباحثين في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) في المملكة العربية السعودية عن طريق الجمع بين ’الغضار البلوري‘، وهو عبارة عن هلامة مائية منخفضة التكلفة شائعة الاستخدام في صناعة الألعاب، مع صفائح MXene نانوية القياس. 

"كان الاكتشاف الأهم هو أن الهلامة المائية التي يتكون أساسها من الـMXene استجابت على نحوٍ مختلف لقوى الضغط والشدّ"، وفق قول عالِم المواد في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، حسام الشريف، الذي قاد البحث. "كما استجابت على نحوٍ مختلف للقوى المطبقة في اتجاهات مختلفة وبسرعات مختلفة. وهذا يسمح للهلامة المائية المركبة باستشعار الحركات المعقدة".

تُعَد مجموعة MXenes فئة جديدة نسبيًّا من المركبات غير العضوية ثنائية البُعد عالية التوصيل، وهي تبدو واعدة في أدوات تخزين الطاقة الكهروكيميائية. ولكن حتى هذه الدراسة، أُجري بحث محدود للتحقق من إمكانياتها في تطبيقات الاستشعار. 

أدى الجمع بين الغضار البلوري وصفائح MXene النانوية إلى ابتكار وصلات ثلاثية الأبعاد بين الصفائح النانوية من ناحية، والسلاسل البوليمرية للهلامة المائية والماء من ناحية أخرى. وهذا ما جعل مادة ’الهلامة المائية M‘ الجديدة أكثر مرونةً بوضوح. 

ففي حين أن الهلامة المائية العادية قابلة للتمطط بأقل من 2200 في المئة (من حوالي 2.5 سم إلى حوالي 55 سم طولًا)، فإن الهلامة المائية M يمكنها التمطط بما يعادل 3400 في المئة (من 2.5 سم إلى أكثر من 86 سم طولًا). 

 كما أن كسر قطعة من الهلامة المائية M إلى اثنتين ثم إعادة وصلها بلطف أدى إلى ’شفاء ذاتي‘ فوريّ؛ إذ لم يمكن إظهار علامات ضعف بسبب الكسر الأولي التالي للتمدد. يؤدي تمطيط الهلامة المائية العادية المعاد وصلها إلى ضعف ميكانيكي ثم فشل عند نقطة الاتصال. 

كما وجد الفريق أن ضغط الهلامة المائية M أدى إلى فصل أقل بين صفائح MXene النانوية، مما يجعلها أكثر ميلًا للتلامس بين بعضها، وبالتالي زيادة الموصليّة الكهربية ضمن الهلامة المائية. 

ومن ناحية أخرى، أدى تمطيطها إلى زيادة المسافة بين صفائح MXene النانوية، مما زاد من المقاومة الكهربائية للهلامة المائية M. وهذا يعني أن الإشارات الكهربائية تتغير مع تطبيق ضغوط مختلفة على الهلامة المائية M. لذا، يؤدي وضع الهلامة المائية M على تفاحة آدم لشخصٍ ما مثلًا إلى ظهور إشارات كهربائية مختلفة المظهر استنادًا إلى الحرف الملفوظ.

يمكن أن تؤدي هذه الخاصية إلى ابتكار تطبيق يساعد الأشخاص على فهم ما يقوله المصابون بخلل صوتي. 

أيضًا، ظهرت الإشارات الكهربائية مختلفة المظهر عندما كتب شخصان الكلمة نفسها على سطح الهلامة المائية M. وهذا ما قد يمكّن من ابتكار تطبيقات مكافحة التزوير. 

يعمل الشريف وفريقه الآن على بناء نماذج من الهلامة المائية M لطلائها على الأجهزة القابلة للزرع، مثل الناظمات القلبية، بحيث يمكن شحنها عن بُعد باستخدام مصدر للموجات فوق الصوتية، دون الحاجة إلى إخراجها من الجسم. 

"إننا ندرس أيضًا تطبيق هذه المادة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، تتضمن الاستشعار الحيوي، وتوصيل الأدوية، والتلقيم الراجع الكبدي لعلم الروبوتات المرنة، ومستشعرات الرجفان، والمولدات النانوية للكهرباء الاحتكاكية [أجهزة حصاد الطاقة]"، استنادًا إلى قول الشريف. "الإمكانيات ضخمة في واقع الأمر. وعن طريق مزيد من الدراسات فقط سنتمكن من معرفة أكثر المسارات نجاحًا من الناحية التجارية لهذه المادة".

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.