رحلة الطيران الفراشة تلهم العلماء لتطوير طريقة جديدة لإنتاج الكهرباء

تكشف دراسة حديثة لباحثين في جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم قدرة الكيتين، وهو بوليمر عضوي يوجد في بيوض الحشرات وقشور القشريات، على إنتاج قوة وكهرباء ميكانيكية وكهربائية من خلال تبديل الماء والرطوبة في البيئة، مما يشير إلى إمكانات طبقات الكيتين الذكية الصديقة للبيئة للاستخدام في الهندسة والتطبيقات الطبية الحيوية.

إنتاج قوة وكهرباء عن طريق التغيرات في الرطوبة والمياه

تظهر الدراسة الحديثة لفريق بحثي في جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم قدرة مادة الكيتين، وهي مادة بيولوجية عضوية يتم استخراجها من قشور القشريات وغلاف حشرات أخرى، على إنتاج قوة وكهرباء عن طريق التغيرات في الرطوبة والمياه.

تتألف أجنحة الفراشة من الكيتين، وهو بوليمر عضوي وهو العنصر الرئيسي في قشور المفصليات مثل القشريات وحشرات أخرى.

التحول الحشري

تتكون أجنحة الفراشة أثناء خروج الفراشة من المرحلة النهائية للتحول الحشري، وتقوم بتطوير أجنحتها ببطء إلى كاملة النمو. وتبدأ الفراشة في فك أجنحتها ببطء للحصول على الحجم الكامل لها. خلال هذا الفك، يتم تجفيف المادة الكايتينية بينما يتم ضخ الدم من خلال أوردة الفراشة، فيتم إنتاج قوى تعيد تنظيم جزيئات المادة لتوفير القوة والصلابة الفريدة اللازمة للطيران. هذا الجمع الطبيعي من القوى وحركة الماء والتنظيم الجزيئي هو ما ألهم الباحث خافيير غ. فرنانديز.

تطبيقات هندسية

وتتمثل أهمية هذه القدرات في إمكانية استخدام طبقات الكيتين في تطبيقات هندسية وطبية بيولوجية بطرق مستدامة وصديقة للبيئة. حيث قام الباحثون بعمل طبقات رقيقة من الكيتين مستخلصاً من قشور جراد البحر، ثم درسوا تأثير التغيرات البيئية على بنية وخواص تلك الطبقات. فوجدوا أنها قادرة على الانكماش والانبساط بمجرد تغيير الرطوبة، مما ينتج عنه قوة تستطيع رفع أوزان ثقيلة وتوليد كهرباء.

مادة الكايتينية 

كما استطاع الفريق تجميع طبقات الكيتين لصنع يد ميكانيكية تتحرك وتمسك بالأشياء. وتعد هذه القدرات الهندسية والطبية الحيوية للكيتين إشارة إلى إمكانية استخدامه مستقبلاً في عدد من التطبيقات المتقدمة.

المادة الكايتينية قابلة للحصول عليها بسهولة وبشكل مستدام من العديد من الكائنات الحية في الطبيعة، وتستكشف فرنانديز وزملاؤه في جامعة تكنولوجيا سنغافورة والتصميم استخدام البوليمرات الكايتينية كمادة مستدامة للتطبيقات الهندسية.

قشور الروبيان

تمكن الفريق في الدراسة الحالية من استخراج مواد البوليمر الكايتيني من قشور الروبيان لإنشاء أفلام بسمك يبلغ حوالي 130.5 ميكرومتر. وقد قام الباحثون باستكشاف تأثير القوى الخارجية على هذه الأفلام الكايتينية، مركزين على التغيرات في التركيب الجزيئي ومحتوى الماء والخصائص الميكانيكية. وقد لاحظ الباحثون أنه مثل فتح أجنحة الفراشة، فإن تمدد الأفلام الكايتينية يعيد تنظيم الهيكل البلوري، حيث أصبحت الجزيئات أكثر تعبئة وقل محتوى الماء.

المواد البلاستيكية

تم تحويل الأفلام الكايتينية من المواد البلاستيكية الشائعة إلى مادة تشبه الموادالبلاستيكية ذات الأغراض العالية والمتخصصة. بدلاً من الطبيعة الخاملة للبوليمرات الاصطناعية، يمكن للأفلام الكايتينية المعاد تنظيمها الاسترخاء والانقباض بشكل ذاتي استجابة للتغيرات البيئية، مما يتيح لها القدرة على رفع الأشياء التي تزن أكثر من 4.5 كيلوغرام عموديًا. وتم تجميع هذه الأفلام في يد ميكانيكية كدليل على قابلية التطبيق الهندسي للأفلام الكايتينية. وبتحكم في الماء بين الجزيئات عندما تتعرض للتغيرات البيئية والعمليات الكيميائية، تم إنشاء قوة كافية لليد لعرض حركة الإمساك. وكانت قوة الإمساك ما يعادل 18 كيلوغرامًا – أكثر من نصف قوة إمساك البالغين.

تشير القدرة على إنتاج مثل هذه القوة من خلال الوسائل الكيميائية إلى إمكانية دمج سلس للأفلام الكايتينية في الأنظمة الحيوية وملاءمتها للتطبيقات الطبية، مثل العضلات الاصطناعية والزرعات الطبية.

استنساخ الخصائص الميكانيكية

توضح الدراسة النموذجية لفرنانديز كيف يمكن استنساخ الخصائص الميكانيكية الأصلية والوظائف المضمنة في الكايتين، مشيراً إلى إمكانية استخدام الكايتين في التطبيقات الهندسية والطبية.

يرى فرنانديز أن المواد مثل الكايتين تلعب دورًا حيويًا في الانتقال إلى براديجم جديدة أكثر استدامة، والتي يطلق عليها باراديم البيوموادية. “يستخدم الكايتين للعديد من الوظائف المعقدة في الطبيعة، من صنع أجنحة الحشرات إلى تشكيل القذائف الصلبة الحماية للرخويات، وله تطبيق هندسي مباشر.
ويقول: “إن قدرتنا على فهم واستخدام الكايتين بشكله الطبيعي حرج لتمكين تطبيقات هندسية جديدة وتطويرها ضمن براديم تكامل البيئة والطاقة المنخفضة”.

د/ طارق قابيل