يقوم فريقنا الهندسي بتصنيع أجهزة استشعار صغيرة ومتعددة الاستخدامات من “الأطر المعدنية العضوية” الحائزة على جائزة نوبل

عندما كرمت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 عمر ياغي ــ “أبو الأطر المعدنية العضوية” ــ إلى جانب سوسومو كيتاجاوا وريتشارد روبسون، فقد احتفلت بما هو أكثر من مجرد إنشاء فئة جديدة من المواد البلورية. لقد أدركت ثورة تعيد بهدوء تشكيل كيفية التقاط العلماء للجزيئات وتخزينها واستشعارها. يمكن لهذه الأطر العضوية المعدنية أن تسمح بتقنيات الاستشعار التي تجعل أماكن العمل والبيئة والأجسام البشرية أكثر أمانًا.

ما هي الأطر العضوية المعدنية، وما سبب أهميتها؟

يتم تصنيع الأطر العضوية المعدنية عن طريق ربط الأيونات المعدنية – الذرات التي تحمل شحنة كهربائية – مع الجزيئات العضوية، وهي لبنات البناء القائمة على الكربون والموجودة في معظم الكائنات الحية. وهي تشكل معًا هياكل صغيرة تشبه الإسفنج مليئة بالمسام المجهرية. يمكنك أن تتخيلها كسقالة على المستوى الذري مليئة بغرف بحجم النانو، كل منها مصممة بدقة لاستضافة جزيئات معينة مثل الضيوف.

ونظرًا لأن الكيميائيين يستطيعون مزج معادن مختلفة وروابط عضوية ومطابقتها، فهناك الآلاف من الأطر العضوية المعدنية المحتملة، ولكل منها خصائص فريدة. اعتمادًا على كيفية تركيبها، يمتلك بعضها مساحة سطح داخلية كبيرة بحيث يمكن لجرام واحد أن يغطي ملعب كرة قدم.

تتيح هذه المسامية الشبيهة بالإسفنجة – والتي تعني وجود الكثير من الثقوب الصغيرة بالداخل – للإطارات المعدنية العضوية احتجاز الغازات وإطلاقها، وتخزين الوقود الغني بالطاقة مثل الهيدروجين، والتقاط الملوثات الضارة. يمكن أن تستخدم الأطر العضوية المعدنية مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية في بنيتها، مما يتيح للباحثين ضبط مدى قوة تفاعل الأطر العضوية المعدنية مع جزيئات معينة.

وقد ألهمت هذه الميزات بالفعل استخدامات محتملة مثل احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء لتقليل تركيزات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي، وسحب المياه النظيفة من الهواء الرطب، وتوصيل الأدوية داخل الجسم. على مدار العقد الماضي، فتحت الخصائص الفريدة للإطارات المعدنية العضوية أيضًا إمكانيات جديدة للاستشعار والكشف.

منذ عام 2016، يعمل فريق المهندسين لدينا على تطوير أجهزة استشعار قائمة على الأطر المعدنية العضوية يمكنها اكتشاف غازات وأبخرة معينة في البيئة في الوقت الفعلي. تفتح الخصائص الفريدة لهذه المواد إمكانيات جديدة للاستشعار في مجالات الصحة والسلامة والرصد البيئي.

من مادة تخزين إلى مادة استشعار

عندما تستقبل الهياكل المعدنية العضوية جزيئات غازية أو سائلة، فإن إطارها الصغير يتغير بشكل طفيف جدًا: فقد يتغير حجمها، أو كيفية ثني الضوء، أو كيفية توصيل الكهرباء، اعتمادًا على الجزيئات التي تمتصها وعددها.

ومن خلال ربط الأطر العضوية المعدنية بأجهزة يمكنها استشعار التغيرات في الضوء أو الكهرباء، يستطيع الباحثون تحويل هذه التحولات الصغيرة إلى إشارات قابلة للقياس مثل الضوء أو التردد أو الجهد. ثم تكشف الإشارات عن المادة الكيميائية الموجودة ومقدارها. بعبارات بسيطة، عندما تدخل الجزيئات أو تخرج من مسام الأطر العضوية المعدنية، فإنها تغير قليلاً كيفية انتقال الضوء عبرها أو كيفية تصرف الكهرباء حولها، وتصبح هذه التغييرات هي مخرجات المستشعر القابلة للقراءة.

قامت مجموعتنا في جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا بتطوير عدة أنواع من منصات الاستشعار المعتمدة على الأطر المعدنية العضوية. عبر جميع هذه المنصات، الفكرة الأساسية هي نفسها: تعمل الأطر العضوية المعدنية كإسفنجات انتقائية تحتفظ مؤقتًا بجزيئات غاز معينة في أقفاصها الصغيرة، وتقوم أجهزتنا بقياس توقيت وكمية هذا الامتصاص والإطلاق.

في إحدى الدراسات، قمنا بربط بلورة واحدة من الأطر العضوية المعدنية القائمة على النحاس والتي تسمى HKUST-1 بالنهاية الناعمة والمسطحة للألياف الضوئية المقطوعة – وهو نفس النوع من الشريط الزجاجي الرقيق المستخدم لحمل إشارات الإنترنت والهاتف.

عملت مجموعة الألياف البلورية هذه كجهاز صغير يمكنه قياس كيفية تداخل موجات الضوء مع بعضها البعض. عندما انتقلت جزيئات الغاز القريبة إلى المسام الصغيرة لبلورة MOF، تغيرت طريقة انحناءها وانعكاس الضوء قليلاً. والتقطت الألياف الضوئية – المتصلة بمصدر الضوء والكاشف – هذه التغييرات، مما سمح لنا برؤية عدد جزيئات الغاز التي استقبلتها المادة في الوقت الفعلي.

لا تُظهِر تحقيقاتنا أن جزيئات الغاز تدخل إلى الأقفاص الصغيرة للإطار العضوي المعدني فحسب، بل تظهر أيضًا مدى سرعة دخولها وخروجها. ومن خلال قياس كمية وسرعة الامتصاص والتحرر، يمكننا معرفة أي الجزيئات يتم امتصاصها وبأي نسبة، عند وجود العديد منها معًا. تساعدنا هذه الرؤية الديناميكية على أن نرى، في الوقت الفعلي، كيف تختار المادة غازًا مستهدفًا واحدًا على حساب الغازات الأخرى. إنه يحول الامتزاز إلى إشارة مفيدة وقابلة للقياس للاستشعار وتحديد الهوية.

وفي مجال الرعاية الصحية، يمكن للإطارات العضوية المعدنية أن تعمل مثل الإسفنجة الانتقائية لجزيئات معينة في التنفس تشير إلى أمراض حقيقية يمكن قياسها. على سبيل المثال، يمكن للإطار العضوي العضوي المصمم لامتصاص الأسيتون التقاط هذا الغاز من الزفير وتركيزه. ترتفع مستويات الأسيتون فوق القيم الطبيعية لدى الأشخاص المصابين بالحماض الكيتوني السكري، مما يسمح لجهاز الاستشعار باكتشاف المرض بشكل واضح وكمي.

وبالمثل، يمكن للإطار المعدني العضوي الذي يمتص الأمونيا بشكل انتقائي أن يركز هذا المركب من الزفير. تزيد مستويات الأمونيا عن القيم الطبيعية لدى الأشخاص المصابين بمرض الكلى المزمن، لذلك يمكن لجهاز الاستشعار أن يوفر مؤشرًا واضحًا على انخفاض وظائف الكلى. إن دمج هذه الأطر العضوية المعدنية في أجهزة الاستشعار من شأنه أن يسمح بإجراء فحص حساس وغير جراحي لهذين المرضين، بناءً على علامات التنفس القابلة للقياس الكمي.

قد يستغرق طلاء المادة بطبقة رقيقة من الأطر العضوية المعدنية ساعات. لكن مؤخرًا، قمنا بتطوير طريقة سريعة وبسيطة “لتجفيف القطرات” والتي تشكل طبقة بلورية من MOF HKUST-1 القائمة على النحاس مباشرة على نهاية الألياف الضوئية في أقل من دقيقتين. كان الفيلم الناتج، الذي يبلغ عرضه حوالي 1/20 من عرض شعرة الإنسان، بمثابة مستشعر غاز عالي الأداء يكتشف الرطوبة أو الإيثانول أو ثاني أكسيد الكربون في البيئة خلال ثوانٍ.

قمنا أيضًا بدمج الأطر العضوية المعدنية مع جهاز معدني محمول يمكنه استشعار التغيرات في إشارات الموجات الميكروية – يشبه إلى حد ما الطريقة التي يلتقط بها هوائي الراديو الموجات غير المرئية في الهواء. عندما دخلت جزيئات الغاز إلى طبقة الإطار المعدني العضوي، غيرت قليلاً كيفية استجابة الجهاز لتلك الموجات، مما سمح له باكتشاف الغازات بحساسية ملحوظة.

تم تصميم هذا المستشعر كجهاز محمول منخفض التكلفة يمكنه التمييز بين نوع واحد من جزيئات الغاز عن الآخر، بدلاً من مجرد اكتشاف وجود بعض الغاز. إنه مثل أن يكون لديك أنف يمكنه التمييز بين التفاح والبرتقال، وليس فقط اكتشاف أن هناك رائحة فاكهية.

يشير بحثنا إلى أن أجهزة استشعار الأطر المعدنية العضوية الموجودة داخل أجهزة مدمجة وموفرة للطاقة يمكنها التقاط جزيئات محددة – حتى في حالة وجود كميات ضئيلة فقط في الهواء. يمكن تصميم مسام الهياكل المعدنية العضوية لتركيز جزيئات مستهدفة محددة. جميع الجزيئات الأصغر من نافذة قفص MOF ستدخل إلى القفص. لذلك، قمنا بتصميم أجهزة الاستشعار بحيث تبقى الجزيئات التي نهتم باستشعارها في الأقفاص لفترة أطول. مساحة السطح الداخلية الضخمة التي أنشأتها هذه المسام تجعلها سريعة الاستجابة بشكل لا يصدق. حتى أن عددًا قليلًا من الجزيئات المحاصرة يمكن أن يطلق إشارة واضحة.

تعمل هذه المستشعرات أيضًا في درجة حرارة الغرفة وتشير أبحاثنا إلى أنها أكثر دقة وقدرة على التكيف من العديد من أجهزة الاستشعار الكيميائية التقليدية.

نحو تأثير في العالم الحقيقي

تكمن التحديات الرئيسية في تحسين متانة الأطر العضوية المعدنية ومقاومتها البيئية على المدى الطويل. تتحلل العديد من الهياكل تحت تأثير الرطوبة أو الحرارة، على الرغم من أن بعض المجموعات البحثية تبحث في كيفية جعلها أكثر استقرارًا.

عند دمجها مع خوارزميات التعلم الآلي، يمكن لهذه المجسات أن تتعلم التعرف على الأنماط من عدة غازات في وقت واحد، بدلا من الكشف عن مادة كيميائية واحدة فقط في كل مرة – يشبه إلى حد كبير كيف يمكن للأنف البشري التمييز بين الروائح المختلفة. ويمكن أن تمتد هذه القدرة إلى مراقبة التنفس البشري، حيث توفر التغيرات الطفيفة في غازات الزفير أدلة مبكرة على أمراض مثل مرض السكري أو التهابات الرئة أو السرطان.

ويعمل الباحثون على دمج الأطر العضوية المعدنية في أفلام مرنة، ودوائر مطبوعة، وأجهزة لاسلكية. ومع هذه التطورات الجديدة والمزيد من الأبحاث، يمكن للأطر العضوية المعدنية أن تربط بين الكيمياء والهندسة يومًا ما. وكما اعترفت جائزة نوبل، فإن الأطر العضوية المعدنية تجسد كيف يمكن للتصميم على المستوى الجزيئي أن يساعد في تخفيف المشكلات التي يواجهها البشر على نطاق عالمي.

إذا تمكن الباحثون من توسيع نطاق هذه التكنولوجيا والتغلب على التحديات، فإن شبكات مستشعرات الألياف الضوئية والإطارات المعدنية العضوية التي تعمل بالموجات الدقيقة يمكنها يومًا ما مراقبة المنشآت الصناعية وخطوط الأنابيب وحتى التنفس البشري بحثًا عن مواد كيميائية غير مرغوب فيها لتحسين السلامة والكفاءة والصحة.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: جي هوانغ، جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا; بوهونج تشانغ, جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا; تشين تشو, جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجياوريكس جيرالد،

اقرأ المزيد:

يتلقى جي هوانغ تمويلًا بحثيًا من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي والمعاهد الوطنية للصحة.

يتلقى ريكس جيرالد تمويلًا بحثيًا من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي والمعاهد الوطنية للصحة.

لا يعمل Bohong Zhang وChen Zhu في أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرانها أو يمتلكان أسهمًا فيها أو يتلقيان تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشفا عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينهما الأكاديمي.