قامت طالبة الدكتوراه زوان لي من قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة خليفة بنشر ورقة بحثية في المجلة العلمية "ماتيريالز توداي" تحتوي على استعراض دقيق وشامل لآليات وأنظمة المواد، إضافة لمجموعة من استراتيجيات تحسين نوع من أنواع المحفزات الضوئية، وهو النوع الذي يقوم بإنتاج ردة فعل كيميائية بالاستعانة بالضوء.
قالت زوان: "أدى التطور الاقتصادي السريع والإقبال الكبير على استخدام الوقود الأحفوري إلى ظهور العديد من المشكلات البيئية التي نشهدها اليوم، حيث أصبح التلوث الجوي رابع أكثر العوامل الخطرة التي تسبب الوفاة ليصل عدد حالات الوفاة سنويًا ما يُقارب 5 مليون في جميع أنحاء العالم. وتسبب الملوثات المنبعثة من المذيبات والأصباغ ومواد البناء والأثاث في الإصابة بالأمراض وإن كانت بنسب تركيز منخفضة، ما يؤكد أهمية الحاجة إلى إنتاج الوقود النظيف وحماية البيئة للحفاظ على صحة الإنسان".
وأشارت زوان إلى أن التحفيز الضوئي هو أحد الطرق التي يمكن من خلالها التخلص من الملوثات من الغلاف الجوي بشكل مستدام. وضم الفريق البحثي إلى جانب زوان لي كلًا من الأستاذ الدكتور ليانكزي زنغ والدكتور كورادو غارليسي، باحث دكتوراه والطالب الخريج كيانغشون غوان والدكتور شعيب أنور، باحث دكتوراه والدكتور خالد العلي، أستاذ مساعد والدكتور جيوفاني بالميسانو، أستاذ مشارك، حيث ناقشوا وقدموا عرضًا موسعًا حول عملية تصميم "أنظمة زد"، وهي نوع من المحفزات الضوئية المستمدة من العمليات الطبيعية وتهدف إلى التصدي للتلوث في الغلاف الجوي.
ما هي المحفزات الضوئية؟
تُصنع المحفزات الضوئية من مواد شبه موصلة تعتمد على الطاقة الشمسية في إنتاج الأزواج الإلكترونية على سطح المحفز، فعند تعرضها لأشعة الشمس تقوم الإلكترونات الموجودة في قاع أشباه الموصلات بالانتقال إلى مستوى طاقة أعلى مخلفة وراءها ثقوب مشحونة بشحنات موجبة، ليتم بعد ذلك تفاعل الإلكترونات والثقوب مع الجزيئات العضوية التي حولها في الغلاف الجوي.
تحدث خلال عملية التحفيز الضوئي ردتا فعل متزامنتان، ردة الفعل الأولى هي عملية الأكسدة، وتحدث عندما يفقد الجزيء إلكترونًا من الثقوب الناتجة عن الضوء. أما ردة الفعل الثانية فهي عملية التقليل، وتحدث عندما يكتسب أحد الجزيئات إلكترونًا من الإلكترونات الناتجة عن الضوء. فبينما يقوم المحفز الضوئي بتقليل جزيئات جزيئات الماء والأكسجين وأكسدتها، تظهر العديد من ردود الأفعال التي يمكن أن تساهم في تحويل الملوثات العضوية مواد نظيفة.
تتسم المحفزات الضوئية التقليدية ببعض العيوب الأساسية التي تحول دون استخدامها في المجال الصناعي، لذلك ترى زوان أن "أنظمة زد" المباشرة قادرة التغلب على تلك التحديات. وترجع المشكلات التي تظهر في المحفزات الضوئية التقليدية إلى أشباه الموصلات المستخدمة، إلا أن بعض أشباه الموصلات التي تشمل أكسيد التيتانيوم وأكسيد الزنك تستوفي متطلبات إنتاج المواد الراديكالية التفاعلية اللازمة باستخدام الطاقة النظيفة.
ما هي"أنظمة زد" المباشرة الخاصة بالمحفزات الضوئية؟
تعتبر "أنظمة زد" المباشرة محفزات ضوئية تستمد طاقتها من عملية التركيب الضوئي الطبيعية للنبات. ففي عملية التركيب الضوئي، تستخدم النباتات نظامين ضوئيين لفصل الإلكترونات والثقوب للحصول على تفاعلات فعالة لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكر وأكسجين. ويعتبر "نظام زد" تصميم لنظام ضوئي مقترن يقوم بتحويل الإلكترونات ضمن التفاعلات الناجمة عن الضوء خلال عملية التركيب الضوئي والتي تقوم من خلالها النباتات بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
وتسعى محفزات "نظام زد" المباشرة إلى محاكاة طرق انتقال الشحنات في النباتات خلال عملية التركيب الضوئي عن طريق استخدام اثنين من هياكل أشباه الموصلات.
يوجد ثلاثة أنواع من محفزات "نظام زد"، إلا أن "أنظمة زد" المباشرة تتميز بقدرتها على زيادة حجم الطاقة الشمسية التي يتم جمعها، كما يمكن استخدامها في البيئتين السائلة والغازية.
استعراض تصاميم المحفزات الضوئية المباشرة "أنظمة زد"
وقالت زوان: "تتمحور فكرة أنظمة زد الرئيسة حول الاستفادة من الآثار التي تحدث بين أشباه الموصلات في المحفز الضوئي عن طريق تنظيم اتجاه انتقال الشحنات. ويعتمد تشكيل الآليات والتطبيقات الملائمة وأداؤها على خصائص أشباه الموصلات وتفاعلاتها. فعلى سبيل المثال، تؤثر طبيعة سطح المحفزات الضوئية على امتصاص الجزيئات المتفاعلة وانتقائيتها".
وتقدم زوان في ورقتها البحثية توجيهات عالمية في تصميم المواد المتعلقة بـ "أنظمة زد" المباشرة تتمثل بآليات المعلومات الرئيسة للمواد الحديثة ومراقبة استراتيجيات التعديل لمستوى الأداء.
وأضافت زوان: "يعد تقديم عرض متمركز حول المواد المتعلقة بمحفزات "أنظمة زد" الضوئية المباشرة أمرًا في غاية الأهمية، نظرًا للدور الهام الذي تلعبه المواد الجديدة وخصائصها في تطوير التكنولوجيات".
وتتميز المواد العضوية بمرونتها في بناء "أنظمة زد"، نظرًا لقدرتها على ضبط شكلها وخصائصها الفيزيوكيميائية. وتُساهم الأطر المعدنية العضوية في تعزيز فعالية نظام المادة من خلال تعديل المواد العضوية والمعدنية المتشابكة بطريقة تعزز سطحها وتوسع من دائرة امتصاص الضوء.
يُذكر أن الأفكار التي تمت مناقشتها في هذا المشروع البحثي قد تُساهم في تمهيد الطريق أمام المهندسين لتصميم محفزات ضوئية متميزة ذات مواد متطورة ومستوى أداء أفضل، كما يمكن للمحفزات الضوئية الحديثة المساهمة بشكل ملحوظ في الجهود العالمية الرامية لإنتاج الطاقة النظيفة والهواء الجوي النقي، إضافة لإمكانية استقطاب المزيد من علماء المواد للعمل في هذا المجال ليتم الاستفادة من "أنظمة زد" المباشرة في توفير العديد من التطبيقات المتنوعة.