תאים סולאריים הניתנים למתיחה

חוקרת מאוניברסיטת סטנפורד פיתחה חיישן גמיש שהוא כה רגיש ללחץ המופעל עליו עד כי הוא יכול לחוש בזבוב הנוחת עליו. כעת החוקרת מנסה להוסיף לחיישן את היכולת לאתר כימיקלים וסוגים שונים של מולקולות ביולוגיות וכן לגרום לו להפעיל את עצמו באמצעות תאים סולאריים פולימריים. התאים הסולאריים החדשניים אינם רק גמישים, אלא גם ברי-מתיחה – ניתן למתוח אותם עד כדי 30% מעבר לאורכם המקורי ללא כל חשש לאובדן יעילותם.

“באמצעות עור מלאכותי ניתן בעצם להכניס כל תפקוד שבו אנו מעוניינים,” אמרה החוקרת, פרופסור להנדסה כימית. “זו הסיבה שאני מכנה את העור שלנו בשם “סופר-עור”. זה מעבר למה שאנו מכירים כעור רגיל.”

הבסיס לעור המלאכותי הינו טרנזיסטור אורגני גמיש המורכב מפולימרים גמישים ומחומרים מבוססי-פחמן. על-מנת להוסיף גם את היכולת לחישת מגע, הטרנזיסטור מכיל שכבת גומי דקיקה אלסטית מאוד המורכבת מרשת צפופה של פירמידות הפוכות. כאשר מופעל לחץ על שכבה זו, היא משנה את עובייה ובעקבות כך משתנה הזרם העובר דרך הטרנזיסטור. החיישנים מכילים כמות של בין מאות אלפים ועד 25 מיליוני פירמידות לכל סנטימטר מרובע, בהתאם למידת הרגישות הרצויה.

על-מנת “לחוש” מולקולה ביולוגית מסוימת, יש לצפות את פני השטח של הטרנזיסטור במולקולה נוספת הנקשרת למולקולת המטרה כאשר השתיים באות במגע זו עם זו. שכבת הציפוי צריכה להיות בעלת עובי של ננומטר אחד או שניים.

“בהתאם לסוג החומר שבו אנו מצפים את הטרנזיסטור ולסוג החומר המוליך למחצה המצוי בטרנזיסטור, אנו יכולים להתאים את החיישן כך שיוכל לאתר כימיקלים או חומרים ביולוגיים מוגדרים,” מציינת החוקרת.

צוות המחקר הדגים בהצלחה את הרעיון המדעי באמצעות איתור סוג מסוים של דנ”א. כרגע החוקרים עובדים על הרחבת השיטה כך שתוכל לאתר חלבונים ותשמש למטרות אבחון רפואי. “לכל מחלה ומחלה יש, ברוב המקרים, חלבון ספציפי אחד או יותר הכרוכים בה – חלבונים המכונים ביו-סמנים – המהווים מעין “אקדח מעשן” או רמז מחשיד למחלה, כך שאיתור ביו-סמנים אלו יאפשר לרופאים לאבחן את המחלה ביעילות,” מסבירה החוקרת. אותה הגישה תאפשר לחיישנים לאתר גם כימיקלים – ע”י התאמת מבנה הטרנזיסטור “סופר העור” יוכל לשמש לגילוי כימיקלים בסביבות נוזליות או גזיות.

ללא קשר לסוג החומרים שהגלאים אמורים לאתר, הם חייבים לשדר החוצה אותות חשמליים על-מנת להעביר את המידע למרכז עיבוד, בין אם זה למוח האדם ובין אם זה למחשב. באמצעות הפעלת החיישנים ע”י אנרגיית השמש, אספקת האנרגיה הנדרשת פשוטה יותר מאשר השימוש בסוללות או חיבורם למערכת החשמל, והדבר גם מאפשר לחיישנים להיות קלי-משקל וניידים יותר. מעבר לכך, הכנת תאים סולאריים ברי-מתיחה פותחת את הצוהר ליישומים נוספים.

במאמר, שפורסם בכתב-העת המדעי Advanced Materials, הם מדגימים כיצד ניתן למתוח את התאים בכיוון אחד, אולם החוקרת הראשית מציינת כי מאז תאריך הפרסום הם הצליחו לקבל מתיחה לאורך שני צירים. התאים מורכבים ממיקרו-מבנים גליים המתרחבים, בדומה לאקורדיון, כאשר מותחים אותם. אלקטרודת מתכת נוזלית משתלבת במשטח הגלי של ההתקן בשני המצבים שלו – הן המתוח והן המכווץ.

“אחד מהיישומים בהם תאים סולאריים ברי-מתיחה יוכלו להיות שימושיים יהיה באריגים וסיבים עבור מדים וביגוד אחר,” מציין אחד מהחוקרים. “קיימים אזורים בגוף האדם, כגון המרפק, שבהם התנועה גורמת למתיחת העור והביגוד,” מסביר החוקר. “התקן שהינו גמיש בלבד, ואשר נעדר היכולת להימתח, היה נשבר במקרה כזה. “יכולת המתיחה תהיה שימושית עבור חיבור תאים סולאריים למשטחים עקמומיים, ללא חשש לשבירה או להתקפלות, כגון במערכות חיצוניות של רכבים, בעדשות ובעצמים המשמשים לעיצוב ובנייה. התאים הסולאריים ממשיכים לייצר חשמל גם במצבם המתוח תוך קבלת זרימת חשמל רציפה המשמשת לשידור המידע מהחיישנים.

החוקרת הראשית מתייחסת לסופר עור שפותח כיותר מאשר חיקוי מעולה של עור האדם; הוא יוכל לאפשר לרובוטים, או להתקנים אחרים, לבצע פעולות שהם מעבר למה שעור אנושי מסוגל לעשות.

“ניתן לדמיין יד רובוטית שתוכל לשמש לנגיעה בנוזל מסוים ולאתר בו סמנים או חלבונים מוגדרים הקשורים למחלות שונות תוך חיווי של סוג המחלה,” מסבירה החוקרת. “או שיד כזו תוכל לגעת בזיעה הניגרת מאדם מסוים ולקבוע אם הוא שיכור או לא.”

בנוסף, החוקרים הצליחו להחליף את החומרים ששימשו בגרסאות מוקדמות של הטרנזיסטור בחומרים ביו-מתכלים. מערכת כזו של סופר עור תהיה לא רק רב-תכליתית ועוצמתית יותר, אלא שהיא תהיה גם יותר ידידותית לסביבה.

הידיעה על המחקר