علماء يصنعون غشاء يُشبه الجلد أنحف من الشعرة 10 آلاف مرة | علوم

في اكتشاف علمي قد يفتح آفاقا جديدة في عالم الأجهزة الإلكترونية المحمولة وأجهزة الاستشعار، طوّر مهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (إم آي تي) طبقة إلكترونية فائقة الرقة، قادرة على رصد الحرارة والإشعاعات تحت الحمراء باستخدام تقنية مبتكرة، ونُشرت تفاصيل هذا الابتكار في دراسة بدورية “نيتشر”.

ويقول أحمد قاسم، الباحث في قسم الكيمياء بجامعة فرجينيا كومنولث الأميركية، وغير المشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت، “قد تؤدي هذه التقنية الجديدة إلى صناعة كاشفات مدمجة وفعّالة وبلا حاجة إلى التبريد”.

ويضيف “هذه التقنية قادرة على استشعار طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة بأكمله، مما يفتح الباب أمام عصر جديد من التصوير الحراري المتقدم، ومراقبة البيئة، وحتى التشخيص الطبي، وكل ذلك بفضل طريقة ذكية لتقشير طبقات رقيقة بشكل لا يمكن تصوره من المواد”.

أنحف من الشعرة 10 آلاف مرة!

ابتكر باحثو “إم آي تي” هذا الغشاء فائق الرقة من مادة كهروحرارية لا يتجاوز سمكها 10 نانومترات، وهو أنحف غشاء كهروحراري يُصنَع حتى الآن. وهذه المادة تستجيب للتغيرات في الحرارة عبر إنتاج تيار كهربائي، ما يجعلها مثالية لرصد أدق التغيرات في درجات الحرارة.

ولتتخيل مدى نحافة هذا الغشاء، يكفي أن تعرف أن سُمك الشعرة يبلغ 80 إلى 100 ألف نانومتر، لذا يتطلب الأمر 10 آلاف غشاء مجمعين لبلوغ سُمك الشعرة فقط!

وقد أظهرت الاختبارات أن الغشاء الجديد شديد الحساسية للإشعاع الحراري في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة، ما يجعله مناسبا للرؤية الليلية وتطبيقات قيادة المركبات ذاتية التحكم في الظروف الجوية القاسية مثل الضباب أو الأمطار.

لكن ما يجعل هذا الابتكار أكثر إثارة هو عدم احتياجه إلى أنظمة تبريد، مثل تلك الموجودة في أجهزة الرؤية الليلية الحالية، التي غالبا ما تكون ثقيلة ومعقدة بسبب اعتمادها على التبريد بالنيتروجين السائل.

وتعتمد معظم كاشفات الأشعة تحت الحمراء التقليدية على مستشعرات فوتونية تحتاج إلى التبريد لتقليل الضوضاء الناتجة عن الحرارة المحيطة. لكن الغشاء الجديد يعتمد على التأثير الكهروحراري، حيث يُولد التيار مباشرة عند حدوث تغير في درجة الحرارة، دون الحاجة إلى “قفزات” إلكترونية عبر فجوات طاقية كما هو الحال في الكاشف التقليدي.

الرفع الذري

يمثل تصنيع هذه الأغشية فائقة الرقة على نطاق واسع، وبدون عيوب صغيرة تُضعف الأداء، عقبة رئيسية. يقول قاسم “الأمر يشبه محاولة تقشير طبقة رقيقة للغاية من الطلاء عن الجدار دون أن تتشقق أو تتمزق، وهي عملية دقيقة ومحبطة”.

ويضيف “ولسنوات، جرّب الباحثون أساليب مختلفة، غالبا ما تتضمن إضافة طبقة تساعد على التحرير، مثل طبقة صغيرة جدا، بين المادة التي يريدونها والسطح الذي تنمو عليه”.

ويوضّح قاسم أن “هذا مفيد، لكنه بطيء ومعقد، ولا يُنتج دائما الأغشية فائقة الرقة اللازمة لأداء فائق. تخيّل الأمر كمحاولة الحصول على قطعة مثالية من الكعكة، لكن في كل مرة يلتصق بها السكين أو تتفتت الطبقات”.

هذا ما دفع الباحثين في هذه الدراسة إلى ابتكار تقنية ثورية تُسمى “الرفع الذري”، تُحدث هذه الطريقة الجديدة نقلة نوعية لأنها تُمكّنهم من نزع تلك الأغشية المعقدة بدقة ذرية، دون الحاجة إلى أي طبقات تحرير اصطناعية.

واكتشف الباحثون أن وجود عنصر الرصاص في المادة يُضعف بشكل طفيف الترابط بين الغشاء الرقيق والسطح الذي ينمو عليه. هذه الخلخلة كافية للسماح برفع الغشاء بكفاءة عن السطح، تماما مثل نزع ملصق عن غُلافه.

يقول قاسم “الجزء المثير حقا هو ما تستطيع هذه الأغشية فائقة الرقة فعله، نظرا لرقتها البالغة واستقلاليتها، فإن قدرتها على الكشف عن الحرارة قد تعززت بشكل كبير، لتصل إلى مستويات قياسية، قريبة من الحد الأقصى النظري”.

ميزات وتحديات

يحتوي الغشاء على بنية ذرية غنية بالرصاص، والتي تخلق طبقة “غير لاصقة” طبيعية تسمح بفصل الغشاء بسهولة تامة عن القاعدة البلورية التي تم تصنيعه عليها، دون الحاجة إلى طبقات وسيطة مثل الجرافين، كما كان الحال في التقنيات السابقة.

الميزة الأخرى البارزة هي أن هذه الطريقة يمكن تعميمها على مواد أخرى غير كهروحرارية، مما يفتح الباب أمام صناعة إلكترونيات قابلة للارتداء والطي ذات حساسية عالية، وبتكلفة إنتاج أقل، ودون التنازل عن الجودة، فقد أظهرت الدراسة أن بإمكان الفريق إضافة عناصر مشابهة للرصاص إلى المواد الأخرى، لتكرار خاصية “الرفع الذري” دون الحاجة إلى بنية الرصاص الأصلية.

رغم هذا التقدم، لا تزال هناك بعض التحديات التقنية التي ينبغي التغلب عليها قبل دخول هذه التقنية الأسواق، فالغشاء الكهروحراري بحاجة إلى التكامل مع دارات قراءة ومعالجة بيانات تعمل هي الأخرى بكفاءة عالية، كما يجب اختبار هذه الأنظمة في ظروف بيئية مختلفة، من أجل ضمان الموثوقية.

يختتم قاسم “نشهد إعادة تعريف لكيفية تفاعل الإنسان مع الموجات غير المرئية. من اكتشافات الفلاسفة في العصور القديمة، إلى الرؤية الليلية الخفيفة دون تبريد في القرن الحادي والعشرين، تواصل العلوم فتح نوافذ جديدة لفهم ما وراء الحواس”.