العمل الجماعي الجزيئي لتعزيز أداء الساعات الذكية والخلايا الشمسية

العمل الجماعي الجزيئي لتعزيز أداء الساعات الذكية والخلايا الشمسية
قد يؤدي التعاون في أشباه الموصلات العضوية إلى تحسين أداء الساعات الذكية والخلايا الشمسية والإلكترونيات العضوية الأخرى.

للفيروس المسؤول عن عدوى الإشريكية القولونية سلاح سري: العمل الجماعي.

دائمًا ما يكون الفيروس متقلبًا في محاولته للبقاء على قيد الحياة ، ويطلق الفيروس على خلية مضيفة متواضعة ويمسك السطح بنهاية الأعمال من ذيله الأنبوبي. بعد ذلك ، تتقلص البروتينات الموجودة في الذيل بانسجام ، فتسطح هيكلها مثل زنبرك متدرج وتلف جسم الفيروس للضربة الحاسمة.

بفضل العمل الجماعي للبروتينات ، يمكن أن ينثني الذيل ويتسطح بسهولة. غالبًا ما تُلاحظ هذه العملية ، التي تسمى التعاون الجزيئي ، في الطبيعة ولكن نادرًا ما تُرى في الأنظمة غير الحية.

اكتشف الباحثون في معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة طريقة لتحفيز هذا السلوك التعاوني في أشباه الموصلات العضوية. قد تساعد ظاهرة توفير الطاقة والوقت في تحسين أداء الساعات الذكية والخلايا الشمسية والإلكترونيات العضوية الأخرى.

قال ينج دياو ، الباحث في معهد بيكمان وأحد مؤلفي الدراسة: “بحثنا يجلب الحياة إلى أشباه الموصلات من خلال إطلاق العنان للصفات الديناميكية نفسها التي تستخدمها الكائنات الطبيعية مثل الفيروسات للتكيف والبقاء على قيد الحياة”.

قد تكون الفيروسات قد أتقنت التعاون الجزيئي ، ولكن لا يمكن قول الشيء نفسه عن البلورات: الهياكل الجزيئية غير الحية المصنفة حسب تناسقها. على الرغم من كونها ممتعة من الناحية الجمالية ، إلا أن الجزيئات التي تتكون منها الهياكل البلورية لها ترتيبات تشبه المغنيات ونادرًا ما تعمل معًا. بدلاً من ذلك ، يختبرون صبر الباحثين عن طريق التثاقل خلال التحولات الهيكلية لجزيء واحد في كل مرة – وهي عملية معروفة بشكل مشهور من خلال نمو الماس من الكربون ، والذي يتطلب حرارة شديدة ، وضغطًا شديدًا ، وآلاف السنين معزولة في أعماق الأرض.

“تخيل إزالة عرض الدومينو المتقن لبنة تلو الأخرى. قال دانييل ديفيز ، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث في معهد بيكمان في وقت الدراسة: “إنه أمر مرهق ومرهق ، وبمجرد الانتهاء من الدراسة ، من المحتمل ألا تكون لديك الطاقة لتجربته مرة أخرى”.

على النقيض من ذلك ، تحدث التحولات التعاونية عندما تقوم الجزيئات بتحويل هيكلها في تزامن ، مثل صف من قطع الدومينو يتدفق بسلاسة على الأرض. الطريقة التعاونية سريعة وموفرة للطاقة ويمكن عكسها بسهولة – ولهذا السبب يمكن للفيروس المسؤول عن عدوى الإشريكية القولونية أن يتعاقد بلا كلل مع ذيله المليء بالبروتين مع فقدان القليل من الطاقة.

لفترة طويلة ، كافح الباحثون لتكرار هذه العملية التعاونية في الأنظمة غير الحية لجني فوائد توفير الوقت والطاقة. كانت هذه المشكلة ذات أهمية خاصة لدياو وديفيز ، اللذين تساءلوا عن كيفية تأثير العمل الجماعي الجزيئي على قطاع الإلكترونيات.

قال ديفيز: “التعاون الجزيئي يساعد الأنظمة الحية على العمل بسرعة وكفاءة”. “اعتقدنا ،” إذا عملت الجزيئات في الأجهزة الإلكترونية معًا ، فهل يمكن أن تعرض هذه الأجهزة نفس الفوائد؟ “

يدرس Diao و Davies الأجهزة الإلكترونية العضوية ، والتي تعتمد على أشباه الموصلات المصنوعة من جزيئات مثل الهيدروجين والكربون بدلاً من الجزيئات غير العضوية مثل السيليكون ، وهو عنصر موجود في كل مكان في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية والأجهزة الذكية التي تشبع السوق اليوم.

قال دياو ، وهو أيضًا أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة إلينوي ، أوربانا شامبين: “نظرًا لأن الإلكترونيات العضوية تُصنع من نفس العناصر الأساسية مثل الكائنات الحية ، مثل البشر ، فإنها تفتح العديد من الاحتمالات الجديدة للتطبيقات”. “في المستقبل ، قد تكون الإلكترونيات العضوية قادرة على الالتصاق بأدمغتنا لتعزيز الإدراك ، أو يمكن ارتداؤها مثل الضمادات لتحويل حرارة أجسامنا إلى كهرباء.”

تدرس Diao تصميم  الخلايا الشمسية : حشوات نوافذ رقيقة تمتص أشعة الشمس لتحويلها إلى كهرباء. قال ديفيز إن أشباه الموصلات العضوية التي يمكن أن تنثني دون أن تنكسر وتحيط بجلد الإنسان ستكون “جزءًا مهمًا من مستقبل الأجهزة الإلكترونية العضوية”.

إنه مستقبل مشرق بالفعل ، لكن خطوة مهمة نحو تصميم إلكترونيات عضوية ديناميكية مثل هذه تتمثل في تشكيل أشباه موصلات عضوية ديناميكية. ولكي يحدث ذلك ، يجب أن تتعاون جزيئات أشباه الموصلات.

ألهمت لعبة الدومينو نهج الباحثين لتحفيز العمل الجماعي الجزيئي في بلورة أشباه الموصلات. اكتشفوا أن إعادة ترتيب مجموعات ذرات الهيدروجين والكربون المتدفقة من لب الجزيء – والمعروف أيضًا باسم سلاسل الألكيل – يتسبب في ميل النواة الجزيئية نفسها ، مما يؤدي إلى سلسلة من الانهيار البلوري الواسع يشير الباحثون إلى الانهيار الجليدي.

“تمامًا مثل قطع الدومينو ، لا تتحرك الجزيئات من حيث تم إصلاحها. قال ديفيز: “فقط ميلهم يتغير”.

لكن إمالة سلسلة من الجزيئات ليس سهلاً ولا ملموسًا مثل التقاط قطعة الدومينو وتدويرها 90 درجة. على نطاق أصغر بكثير من قطعة لعبة بلاستيكية ، طبق الباحثون الحرارة تدريجيًا على سلسلة ألكيل الجزيء ؛ تسبب ارتفاع درجة الحرارة في إحداث تأثير يشبه الدومينو.

أدى استخدام الحرارة لإعادة ترتيب سلاسل الألكيل للجزيئات أيضًا إلى تقلص البلورة نفسها – تمامًا مثل ذيل الفيروس قبل الإصابة بالإشريكية القولونية. في أي جهاز إلكتروني ، تُترجم هذه الخاصية إلى مفتاح تشغيل وإيقاف سهل بسبب درجة الحرارة.

تطبيقات هذا الاكتشاف لم تتحقق بالكامل بعد ؛ في الوقت الحالي ، يشعر الباحثون بسعادة غامرة بالخطوة الأولى.

قال ديفيز: “كان الجزء الأكثر إثارة هو القدرة على ملاحظة كيفية تغير هذه الجزيئات وكيف يتطور تركيبها خلال هذه التحولات”للإلكترونيات الديناميكية”