منوعات

العلماء يحلون لغزًا كيميائيًا في واجهة البيولوجيا والتكنولوجيا

يقضي الباحثون الذين يرغبون في سد الفجوة بين علم الأحياء والتكنولوجيا الكثير من الوقت في التفكير في الترجمة بين “اللغتين” المختلفتين في هذه المجالات.

وقال راجيف جيريداراغبال، عالم الأبحاث في جامعة واشنطن: “تعمل تقنيتنا الرقمية من خلال سلسلة من مفاتيح التشغيل والإيقاف الإلكترونية التي تتحكم في تدفق التيار والجهد”. “لكن أجسادنا تعمل وفق الكيمياء. ففي أدمغتنا، تنشر الخلايا العصبية الإشارات بطريقة كهروكيميائية، عن طريق تحريك الأيونات – الذرات أو الجزيئات المشحونة – وليس الإلكترونات”.

تعتمد الأجهزة القابلة للزرع، بدءًا من أجهزة تنظيم ضربات القلب إلى أجهزة قياس السكر، على مكونات يمكنها التحدث باللغتين وسد هذه الفجوة. ومن بين هذه المكونات OECTs – أو الترانزستورات الكهروكيميائية العضوية – التي تسمح بتدفق التيار في أجهزة مثل أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للزرع. لكن العلماء عرفوا منذ فترة طويلة خصوصية OECT التي لا يستطيع أحد تفسيرها: عندما يتم تشغيل OECT، هناك تأخير قبل أن يصل التيار إلى المستوى التشغيلي المطلوب. عند إيقاف التشغيل، لا يوجد أي تأخير. ينخفض ​​التيار على الفور تقريبًا.

لقد نجحت دراسة أجرتها جامعة ويسكونسن في حل هذا اللغز، وبذلك مهدت الطريق أمام OECTs المصممة خصيصًا لقائمة متزايدة من التطبيقات في مجال الاستشعار الحيوي والحوسبة المستوحاة من الدماغ وما بعده.

قال قائد المشروع ديفيد جينجر، أستاذ الكيمياء في جامعة ويسكونسن، وكبير العلماء في معهد الطاقة النظيفة في جامعة ويسكونسن وعضو هيئة التدريس في معهد الهندسة الجزيئية والعلوم في جامعة ويسكونسن: “إن مدى سرعة تبديل الترانزستور أمر مهم لأي تطبيق تقريبًا”. “لقد أدرك العلماء سلوك التحول غير المعتاد لـ OECTs، لكننا لم نعرف السبب أبدًا – حتى الآن”.

في مقال نشر في 17 أبريل المواد الطبيعيةأفاد فريق جينجر في جامعة ويسكونسن – مع البروفيسورة كريستين لوسكومب من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في اليابان والبروفيسور تشانغ تشي لي من جامعة تشجيانغ في الصين – أن OECTs “تنشط من خلال عملية من خطوتين، مما يسبب التأخر”. ولكن يبدو أنها تنطفئ من خلال عملية أبسط تتكون من خطوة واحدة.

من حيث المبدأ، تعمل OECTs مثل الترانزستورات في الإلكترونيات: عندما يتم تشغيلها، فإنها تسمح بتدفق التيار الكهربائي. وعندما يخرجون، يقومون بحظره. لكن OECTs تعمل من خلال اقتران تدفق الأيونات بتدفق الإلكترونات، مما يجعلها طرقًا جذابة للتفاعل مع الكيمياء والبيولوجيا.

تلقي الدراسة الجديدة الضوء على المرحلتين اللتين تمر بهما OECTs عند تشغيلها. أولاً، تمر واجهة موجة من الأيونات عبر الترانزستور. بعد ذلك، تغزو المزيد من الجسيمات الحاملة للشحنة البنية المرنة للترانزستور، مما يؤدي إلى انتفاخه قليلاً وإيصال التيار إلى المستويات التشغيلية. في المقابل، اكتشف الفريق أن التعطيل عبارة عن عملية مكونة من خطوة واحدة: تنخفض مستويات المواد الكيميائية المشحونة بشكل منتظم عبر الترانزستور، مما يؤدي إلى مقاطعة تدفق التيار بسرعة.

إن معرفة سبب هذا التأخير من شأنه أن يساعد العلماء على تصميم أجيال جديدة من OECTs لمجموعة واسعة من التطبيقات.

وقال جينجر: “كان هناك دائمًا دافع لتطوير التكنولوجيا لجعل المكونات أسرع وأكثر موثوقية وأكثر كفاءة”. “ومع ذلك، فإن “القواعد” التي تحكم سلوك OECT لم تكن مفهومة جيدًا. وإحدى القوى الدافعة لهذا العمل هي تعلمها وتطبيقها على جهود البحث والتطوير المستقبلية.”

وسواء كانت هذه الخلايا موجودة في أجهزة قياس نسبة السكر في الدم أو نشاط الدماغ، فإنها مصنوعة إلى حد كبير من بوليمرات أشباه الموصلات العضوية المرنة ــ وحدات متكررة من مركبات معقدة غنية بالكربون ــ وتعمل مغمورة في سوائل تحتوي على أملاح ومواد كيميائية أخرى. في هذا المشروع، قام الفريق بدراسة OECTs التي تغير لونها استجابة لشحنة كهربائية. تم تصنيع مواد البوليمر بواسطة فريق لوسكومب في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا وبواسطة لي في جامعة تشجيانغ، ثم تم تحويلها إلى ترانزستورات من قبل طلاب الدكتوراه في جامعة ويسكونسن جياجي جو وشينيا “إيمرسون” تشين، وهما من كبار مؤلفي الورقة.

قال لوسكومب، وهو أيضًا أستاذ مشارك في الكيمياء وعلوم وهندسة المواد في جامعة ويسكونسن: “يكمن التحدي في تصميم المواد الخاصة بـ OECTs في إنشاء مادة تسهل نقل الأيونات بكفاءة وتحتفظ بالتوصيل الإلكتروني”. “يتطلب النقل الأيوني مادة مرنة، بينما يتطلب ضمان الموصلية الإلكترونية العالية بشكل عام بنية أكثر صلابة، مما يشكل معضلة في تطوير مثل هذه المواد.”

لاحظ جو وتشين تحت المجهر – وسجلا بكاميرا الهاتف الذكي – ما يحدث بالضبط عندما يتم تشغيل وإيقاف OECTs المصنوعة حسب الطلب. أظهر هذا بوضوح أن العملية الكيميائية المكونة من خطوتين تقع في قلب تأخير تنشيط OECT.

وقد أظهرت الأبحاث السابقة، بما في ذلك تلك التي أجرتها مجموعة جينجر في جامعة ويسكونسن، أن بنية البوليمر، وخاصة مرونته، مهمة لكيفية عمل OECTs. تعمل هذه الأجهزة في بيئات مليئة بالسوائل التي تحتوي على أملاح كيميائية ومركبات بيولوجية أخرى، وهي أكبر من المكونات الإلكترونية لأجهزتنا الرقمية.

تذهب الدراسة الجديدة إلى أبعد من ذلك من خلال ربط هيكل وأداء OECT بشكل مباشر أكثر. وجد الفريق أن درجة تأخير التنشيط يجب أن تختلف اعتمادًا على المادة التي يتكون منها OECT، مثل ما إذا كانت البوليمرات الخاصة به أكثر ترتيبًا أو مرتبة بشكل أكثر عشوائية، وفقًا لجيريداراجوبال. يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية كيفية تقليل أو إطالة فترات التأخر، والتي كانت بالنسبة لـ OECTs في الدراسة الحالية أجزاء من الثانية.

وقال جيريداراجوبال: “اعتمادًا على نوع الجهاز الذي تحاول تصنيعه، يمكنك تخصيص التركيب والسوائل والأملاح وحاملات الشحن وغيرها من المعلمات وفقًا لاحتياجاتك”.

لا يتم استخدام OECTs فقط في الاستشعار الحيوي. كما أنها تستخدم لدراسة النبضات العصبية في العضلات، وكذلك لإنشاء شبكات عصبية اصطناعية وفهم كيفية تخزين واسترجاع أدمغتنا للمعلومات. وفقًا لجينجر، تتطلب هذه التطبيقات المتباينة على نطاق واسع إنشاء أجيال جديدة من OECTs ذات ميزات متخصصة، بما في ذلك أوقات الصعود والهبوط.

وقال جينجر: “الآن بعد أن تعلمنا الخطوات اللازمة لإنشاء هذه التطبيقات، يمكن أن يتسارع التطوير حقًا”.

يعمل Guo الآن كباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر لورانس بيركلي الوطني، ويعمل تشين الآن كعالم في الأجهزة التناظرية. المؤلفون المشاركون الآخرون في الورقة هم كونور بيشاك، باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في الكيمياء في جامعة ويسكونسن والآن أستاذ مساعد في جامعة يوتا؛ جوناثان أونوراتو، طالب دكتوراه سابق بجامعة ويسكونسن وعالم في Exponent؛ وكانجرونج يان وزيكي شين من جامعة تشجيانغ. تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية وتم تمويل البوليمرات التي تم تطويرها في جامعة تشجيانغ من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الصينية.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى