تعطي التمارين الرياضية فوائد جمة للصحة. لكن ماذا لو استطعت الحصول على فوائد التمرينات دون تحريك عضلة واحدة؟
تتميز العضلات الهيكيلة بقدرتها على تكييف كتلتها مع التغيرات في النشاط. ويسبب الخمول ضمور العضلات وفقدان كتلتها وقوتها، مما يؤدي إلى العجز البدني وتدهور الصحة.
تعتبر بروتينات السيسترين عوامل وقائية ضد هدر العضلات. حيث يقل إنتاج السسترين أثناء عدم النشاط ويؤدي نقصه الوراثي إلى هزال العضلات.
أظهرت الدراسات الخلوية أنَّ للسيسترين وظيفة مضادة للأكسدة، حيث يُثبط جذور الأوكسجين الحرة. وتشير الدراسات الحديثة إلى أنَّ بروتينات السيسترين تخفف من أمراض الكبد الأيضية المرتبطة بالسمنة لدى الفئران مثل مقاومة الإنسولين والتهاب الكبد الدهني.
دراسات جديدة حول السيسترين
لاحظ العلماء في دراسة جديدة أنَّ ضمور العضلات لايعزز جميع الأنشطة الهادمة، بدلاَ من ذلك يضعف الالتهام الذاتي في حين يُعزز النشاط البروتيني كاستجابة لعدم الحركة.
وأظهرت النتائج انَّ السيسترين يحافظ على كتلة العضلات وقوتها في ظروف الضمور، حيث اعتبره العلماء الموجه الرئيسي لكتلة العضلات الهيكلية.
اكتشف باحثو الطب في ميشغان أنَّ البروتين الطبيعي سيسترين يمكن أن يمنح فوائد التمارين الرياضية في الذباب والفئران.
قام الباحثون بتدريب ذبابة الفاكهة لثلاثة أسابيع وقارنوا القدرة على الجري والطيران للذباب العادي مع الذباب الذي يفتقد القدرة على إنتاج بروتين سيسترين.
يقول الأستاذ جون هي لي : يستمر الذباب بالمشي من 4 إلى 6 ساعات، وقد تحسنت قدرات الذباب العادية خلال تلك الفترة. بينما لم تتحسن قدرات الذباب الذي لا يُنتج السيسترين.
نتائج الدراسة في الذباب والفئران
قام الباحثون بزيادة إنتاج السيسترين في عضلات الذباب، مما جعل قدراتها تتجاوز الذباب المدرب رغم عدم ممارستها للتمرينات. تشير هذه النتائج إلى أنَّ السيسترين ضروري لتحسين القدرة على التحمل والطيران بعد التمرين.
لا تقتصر فوائد السيسترين على زيادة القدرة على التحمل. حيث تفتقر الفئران التي لا تنتج السيسترين إلى القدرة الهوائية والتنفس الجيد وحرق الدهون المرتبط عادة بالتمرينات.
اختبر الباحثون إمكانية ملاحظة فوائد السيسترين من خلال دراسة الوظيفة الحيوية، فوجدوا أنَّ السيسترين يزيد من إنتاج بروتين PGC1α/β وإنزيمات المايتوكندريا. حيث أكدت النتائج أنَّ السيسترين يزيد التكاثر الحيوي للميتوكندريا.
تبشر نتائج هذه الدراسات بإمكانية إنتاج السيسترين كمكلات غذائية لكن الباحثون مقيدون بحجم جزيئات السيسترين الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك مازال العلماء يجهلون كيف تحفز التمارين الرياضية إنتاج السيسترين في الجسم، حيث يعتبر مجالاً مهماَ للدراسات المستقبلية التي يمكن أن تؤدي غلى علاج الأشخاص العاجزين عن ممارسة الرياضة.
العالمة الأميركية فرانسيس أرنولد Frances Arnold الحاصلة على جائزة نوبل في الكيمياء عام ٢٠١٨ بالمقاسمة مع العالمين جورج سميث George Smith والعالم جريجوري وينتر Gregory Winter عن أبحاثها الرائدة على الانزيمات، فلماذا حاصلة على جائزة نوبل تتراجع عن ورقة بحثية.
ورقة بحثية شاركت العالمة أرنولد بكتابتها مع Inho Cho و Zhi-Jun Jia والتي كانت عن البناء الانزيمي للبيتا لاكتام beta-lactams المنشورة في مجلة Science في شهر أيار من العام الماضي، تم التراجع عنها بسبب عدم قابلية النتائج للتكرار وإعادة الإنتاج، كما وجد الباحثون بيانات ناقصة في دفتر ملاحظات المختبر.
إعادة الإنتاج أو التكرار Reproduce هي جزء أساسي مهم في التجارب العلمية؛ فنجاح أي تجربة يعني إمكانية تكرارها والحصول على النتائج ذاتها ضمن الظروف ذاتها.
السيدة أرنولد أعلنت عن خبر التراجع بنفسها في تغريدة لها على موقع تويتر في الثاني من كانون الثاني الجاري :
“ في أول تغريدة لي هذا العام عن موضوع يخص العمل، ينتابني ضجر شديد بسبب تراجعنا عن الورقة البحثية التي صدرت العام الماضي حول البناء الانزيمي للبيتا لاكتام، عملنا لم يكن قابلا لإعادة التكرار”
وأعقبت :
“ الإعتراف مؤلم لكنه ضروري جدا، أعتذر لكم جميعاً فقد كنت مشغولة عندما تم إعتماد النتائج ولم أقم بعملي بشكلٍ جيد “
كما نشرت مجلة Science ملاحظة توضح سبب التراجع عن الورقة:
“ الجهود التي بُذلت لإعادة تكرار النتائج أظهرت أن الإنزيم لا يقوم بتحفيز التفاعل ضمن المعايير والإعتبارات التي تم إدعائها، كما أظهر الفحص الدقيق لملاحظات المختبر الأولية فقدان بعض المدخلات المتزامنة و البيانات الأصيلة والتي تشكل مفتاحا للتجربة، لذلك تراجع كاتبوا الورقة عنها”
في تموز ٢٠١٨ أظهرت مجلة Nature أن هناك تزايد ملحوظ ومنذر بالخطر في النتائج الغير قابلة لإعادة التكرار، ففي مسح للمجلة أظهرت النتائج أن أكثر من ثلثي الباحثين حاولوا تكرار تجارب علماء آخرين وفشلوا في ذلك .
التعامل مع تغريد السيدة أرنولد كان إيجابيا للغاية، نذكر منه الباحث في كلية Kings في لندن العالم Dominique Hoogland :
“ إسمحي لي رجاءً أن أعبر عن إحترامي بسبب لفت إنتباه الجميع نحو ذلك، هذا يبين لنا أن الجميع يخطيء، والتصرف الصحيح يكون بتصحيح الخطأ، شكراً لك “
السيدة ارنولد مهندسة كيمائية مقتدرة من طراز رفيع، حصدت جائزة الألفية للتكنولوجيا في الكيمياء نتيجة عملها على التطور الموجّه، بالإضافة لذلك هي عضو في مجلس إدارة شركة ألفابيت؛ شركة غوغل الأم.
يعتبر النوم جزءًا مهمًا من الروتين اليومي، فنحن نقضي ثلث وقتنا تقريبًا فيه. ويعد النوم الجيد -بالحصول على ما يكفي منه في الأوقات المناسبة– ضرورة من ضروريات الحياة كالطعام والشراب.
ولا يمكن للعقل أيضًا تكوين –أو حتى الحفاظ- على مساراتٍ تتيح التعلم وإنشاء ذكريات جديدة بدون النوم، كما أنه من الصعب التركيز والاستجابة بسرعة. وفي الواقع، يبقى العقل والجسم نشيطين بشكل ملحوظ أثناء النوم، فهو يعمل عمل المكنسة الكهربائية؛ منقيًا العقل من السموم والشوائب التي تراكمت أثناء يقظتك، وهو ما تشير إليه النتائج الحديثة.
يؤثر النوم على كل نوع من الأنسجة والأجهزة في الجسم تقريبًا، بدءًا من المخ والقلب والرئتين وحتى المناعة والمزاج ومقاومة الأمراض. ويحتاج الجميع للنوم بالطبع لكن الغرض البيولوجي منه لا يزال لغزًا.
لكن ما الذي يجعلنا ننام؟ وما الذي يحدث داخل المخ؟
تحتوي منطقة ما تحت المهاد في المخ –منطقة بحجم الفول السوداني في عمق الدماغ- على مجموعات من الخلايا العصبية التي تعمل كمراكز مراقبة تؤثر على النوم والإثارة، وتوجد أيضًا هناك منطقة أخرى تسمى (النواة الحركية) –وهي مجموعات من الخلايا تتلقى معلومات من العين حول التعرض للضوء مباشرة.
في البداية، تنتج الخلايا المعززة للنوم مادة كيميائية في المخ تسمى (جابا) تعمل على تقليل نشاط مراكز الإثارة، ثم يرسل جذع الدماغ إشارات لإرخاء العضلات المحركة للجسم والأطراف؛ حتى لا نقوم بتحقيق أحلامنا أثناء حدوثها.
ثم تستقبل الغدة الصنوبرية إشارات وتزيد من إنتاج هرمون (الميلاتونين)، والذي يساعد على النوم بمجرد إطفاء الأنوار. فمثلًا لا يمكن لفاقدي للبصر تنسيق دورة النوم والاستيقاظ الطبيعية باستخدام الضوء الطبيعي، لكن يتم تثبيت أنماط نومهم عن طريق تناول كميات صغيرة من الميلاتونين في نفس الوقت كل يوم.
لكن لم ننتهِ هنا بالطبع، فيوجد بجانب كل ذلك (الأدينوسين) – ليدعم دورة النوم، والذي يقوم الكافيين بعرقلته منتجًا مقاومة للنعاس، فهناك حربًا تدور لتظل مستيقظُا.)
وخلال معظم مراحل النوم، تعمل منطقة (المهاد) بمثابة ناقل للمعلومات، وذلك من الحواس المختلفة إلى القشرة الدماغية -غطاء الدماغ الذي ينقي المعلومات من الذاكرة القصيرة إلى الطويلة المدى- ولكن أثناء نوم الريم، يكون المهاد نشطًا، حيث يقوم بإرسال الصور والأصوات والأحاسيس الأخرى لتملأ بها أحلامنا.
المواد الكيميائية المسببة للنوم
تصبح مجموعات الخلايا العصبية المعززة للنوم في أجزاء كثيرة من الدماغ أكثر نشاطًا عند الاستعداد للنوم، فالناقلات العصبية يمكن أن تغلق أو تثبط نشاط الخلايا التي تشير إلى الإثارة، وتشمل الناقلات العصبية الأخرى التي تشكل النوم واليقظة كالميلاتونين والأسيتيل والهستامين والأدرينالين والكورتيزول ووالسيروتونين.
لكن ما الذي ينظم النوم داخل جسدنا رغمًا عنا؟
يتم تنظيم النوم عن طريق آليتين بيولوجيتين يعملان معًا، إيقاع الساعة البيولوجية والتوازن. تظهر آثار إيقاعات الساعة البيولوجية في مجموعة واسعة من الوظائف اليومية للجسم أثناء اليقظة، فتظهر مثلًا في درجة حرارة الجسم والهرمونات.
والتي تتحكم بدورها في توقيت نومك وتسبب الشعور بالنعاس في الليل والميل للاستيقاظ في الصباح دون سابق إنذار. تتحكم الساعة البيولوجية في جسمك على مدار 24 ساعة تقريبًا، في معظم الإيقاعات اليومية، والتي تتزامن مع الإشارات البيئية -كالضوء ودرجة الحرارة- لتظهر الوقت الفعلي لليوم، ولكنها تحدث أيضًا حتى في حالة عدم وجود تلك الإشارات.
صورة توضح مستوى الميلاتونين ودرجة الحرارة والضغط في الجسم على مدار اليوم وتأثيرهم على النوم
أما بالنسبة للتوازن، فإن توازن النوم والاستيقاظ يتتبع حاجتك للنوم. فيذكّر محرك النوم –الثابت- الجسم بالنوم بعد وقت معين وينظم كثافته، بل ويصبح أقوى كل ساعة كنت مستيقظًا فيها، مؤديًا إلى النوم لفترة أطول وبعمق أكبر بعد طول كل فترة من الحرمان من النوم.
وتشمل العوامل التي تؤثر على احتياجاتك للنوم الحالات الطبية والأدوية والإجهاد وبيئة النوم، وما تأكله وتشربه بالتأكيد، لكن لعل أكبر تأثير هو التعرض للضوء، فالخلايا المتخصصة في شبكية العين تعالج الضوء وتُخبر المخ ما إذا كان الوقت نهارًا أم ليلًا.
مقدار ما يحتاج إليه الجسم من النوم
إن حاجة الشخص للنوم وأنماط النوم نفسها اتغير مع تقدم السن، ولكنها ليست قاعدة لوجود اختلافات كبيرة بين الأفراد من نفس العمر، فلا يوجد عدد ساعات النوم سحري يصلح للجميع من نفس العمر.
فالأطفال ينامون مبدئيًا ما بين 16 إلى 18 ساعة يوميً، مما يعزز النمو والتطور -خاصة الدماغ-، في حين يحتاج الأطفال والمراهقون في سن المدرسة في المتوسط إلى حوالي 9.5 ساعات من النوم في الليلة.
في حين يحتاج معظم البالغين إلى 7-9 ساعات من النوم في الليلة الواحدة. ولكن بعد سن الستين، يميل النوم ليلًا إلى أن يكون أقصر وأخف يقطعه استيقاظٌ متعدد لعدة أسباب أخرى.
لكن وبشكل عام، يحصل الناس على نوم أقل مما يحتاجون إليه بسبب طول ساعات العمل وتوفر وسائل الترفيه على مدار الساعة وغيرها من الأنشطة.
وقد يشعر الكثير من الناس أنهم يستطيعون (اللحاق) بالنوم المفقود خلال عطلة نهاية الأسبوع اعتمادًا على مدى حرمانهم من النوم، والذي لا يكون كافيًا حتى إن نام الشخص لفترةٍ أطول من المعتاد.
لا تموت جميع خلايانا، فبعضها يبقى كخلايا مُسنّة هرمة غير قابلة للإنقسام لكنها تُبقي قدرتها على إنتاج إشارات كيميائية تلعب دوراً هاماً في المعركة ضد الشيخوخة، فماذا لو توصلنا إلى دواء قاتل للخلايا البشرية الميتة ؟
الشيخوخة والخلايا الميتة.
يقول الباحث Nicolas Musi من جامعة Texas في مدينة Austin لمجلة MIT Technology Review “يُعتقد أن هذه الخلايا والمواد التي تنتجها متضمنة في عملية الشيخوخة، وإزالة هذه الخلايا سيعزز الصحة ويمنع الأمراض المصاحبة للشيخوخة”.
إعتماداً على النتائج المبكرة للتجربة، ربما يكون هناك ما هو مميز في هذه النظرية.
في كانون الثاني، نشر Musi وزملائه نتائج التجربة التي تم فيها علاج 14 مريض يعانون من التلّيف الرئوي مجهول السبب بعلاج مشترك، أعتقد الباحثون أنه قادر على التخلص من الخلايا المُسنّة.
خلال فترة العلاج التي استمرت 3 أسابيع، تناول المرضى 9 جرعات من علاج اللوكيميا، حيث تناولوا علاج مشترك من Dasatinib و Quercetin
في نهاية التجربة، سجّل المرضى قدرة على السير بشكل أكبر من قبل، وكما أظهرت العلامات الحيوية الأخرى تحسناً ملحوظاً بدون أي أعراض جانبية خطرة.
المؤتمر الصحفي
في مؤتمر صحفي، قال الباحث Jamie Justice ” على الرغم من كونها خطوة صغيرة، إلا أن هذه الدراسة أحرزت تقدما مفاجئاً مهماً في الكيفية التي يمكن من خلالها علاج الأمراض المتعلقة بالشيخوخة كالتلّيف الرئوي، فلقد توجهنا علاجياً إلى علاقة حيوية أساسية للتقدم في العمر متضمنة في التليف الرئوي، اظهرت الدراسة نتائج مبكرة لكنها مبشّرة لأول مرة لدى البشر”.
من الصعب الآن القول بأن العلاج المشترك فعّال كعلاج يقلل الأمراض المصاحبة للشيخوخة، لكن الباحثون مستمرون في طريق إيجاد الإجابة، حيث أنه تم بالفعل تجربة العلاج على 15 مريض رئة أخرين و20 مريض يعانون من أمراض الكلى المزمنة.
قال الباحث James Kirkland لمجلة MIT Technology Review ” إذا لاحطنا وجود علامات فعالية، ولم نلحظ وجود أي أعراض جانبية خطرة، سنسعى بكل جهدنا للوصول لحياة بشرية أقل تهديداً، بالطبع إذا سار كل شيء على ما يُرام”.
الوقود الأحفوري: هو وقود يتم استعماله لإنتاج الطاقة الأحفورية، يستخرج من الفحم الحجري، والفحم النفطي الأسود، والغاز الطبيعي، ومن النفط، كما تستخرج أيضًا هذه المواد بدورها من باطن الأرض وتحترق في الهواء مع الأكسجين لإنتاج حرارة تستخدم في كافة الميادين.
أدى الاستهلاك البشري للوقود الأحفوري إلى زيادة انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون على مستوى العالم، مما أدى إلى مشاكل خطيرة مرتبطة بارتفاع درجة حرارة الأرض وتغير المناخ والاحتباس الحراري.
على الرغم من أن الانبعاثات بدت وكأنها تتلاشى منذ عدة سنوات إلا أنها على ارتفاع مرة أخرى، فهناك الكثير من الطرق المتبعة حاليًا للتخفيف من هذه الانبعاثات ولكن تكمن العقبة في أن هذه الطرق تعتمد على الطاقة بدرجة كبيرة، انخفاض قدرة ثنائي أكسيد الكربون يزيد أيضًا من صعوبة التقاطه وتحويله بكفاءة عالية إلى مواد مفيدة، الأمر الذي دفع العلماء لبذل المزيد من الجهد والوقت لحل هذه المشكلة، بفضل العمل المستمر تكللت المساعي بالنجاح وتوصلوا إلى طريقة مبتكرة لمواجهة انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون.
الطريقة المبتكرة حديثًا:
توصل العلماء بجامعة كيوتو إلى طريقة مبتكرة في محاولة لمواجهة الكميات الهائلة من ثنائي أكسيد الكربون الموجود في الهواء؛ من خلال تحويله إلى مادة مفيدة.
الجدير بالذكر أن هذه العملية تتم دون أن تستهلك الكثير من الطاقة، والأكثر من ذلك أن المواد الناتجة تكون قابلة لإعادة الاستخدام.
يقول سوسومو كيتاجاوا، كيميائي في جامعة كيوتو: “أحد أكثر الطرق إفادة لاحتجاز الكربون هو إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية عالية القيمة، مثل الكربونات الدورية بحيث نستطيع استخدامها في الأدوية”.
PCP: وهو عبارة عن بوليمر تنسيق يسهل اختراقه«porous coordination polymer»، معروف أيضًا باسم MOF«إطار معدني عضوي-Metal-organi framework»، يتكون هذا البوليمر من أيونات الزنك المعدنية، أحد أهم ميزاته حسب ما وجد العلماء عن طريق استخدام التحليل الهيكلي للأشعة السينية أنه قادر على التقاط جزيئات ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي وبكفاءة أعلى بمقدار 10 أضعاف من مركبات PCP الأخرى.
يقول كين إيتشي أوتاكي، الكيميائي بجامعة كيوتو من معهد علوم المواد الخلوية المتكامل (iCeMS): “لقد نجحنا في تصميم مادة مسامية لها تقارب كبير مع جزيئات ثنائي أكسيد الكربون ويمكنها تحويلها بسرعة وفعالية إلى مواد عضوية مفيدة”.
يحتوي البوليمر على مكون عضوي له بنية جزيئية تشبه المروحة، مع اقتراب جزيئات ثنائي أكسيد الكربون من الهيكل، وجد الباحثون أن الجزيء يدور ويعاد ترتيبه، لاحتجاز جزيئات الغاز.
مكون عضوي بهيكل يشبه المروحة.
ميزات PCP:
عندما تعيد الجزيئات ترتيب نفسها تحدث تغييرات طفيفة في القنوات الجزيئية داخل البوليمر، ونتيجةً لذلك يعمل البوليمر كمنخل يمكنه التعرف على الجزيئات حسب الحجم والشكل.
قابل لإعادة الاستخدام حتى مع عدم كفاية عملية التقاط الجزيئات ولو بعد 10 دورات.
يمكن للبوليمر تحويل جزيئات ثنائي أكسيد الكربون الملتقطة لصنع مادة «البولي يوريثين-polyurethane» وهي مادة لها مجموعة واسعة من التطبيقات، على سبيل المثال تستخدم في الملابس، والتعبئة، والأجهزة المنزلية وغيرها الكثير في مجالات متنوعة.
طرق أخرى تم تطويرها في وقت سابق:
قدمَ علماء من جامعة RMIT في أستراليا طريقة لتحويل ثنائي أكسيد الكربون إلى فحم، باستخدام تفاعل كيميائي يشمل السيريوم المعدني.
أيضًا تمكن فريق آخر من الباحثين، من جامعة رايس في الولايات المتحدة، من تطوير جهاز لتحويل ثنائي أكسيد الكربون إلى وقود سائل: في هذه العملية يكون البزموت المعدني هو المكون الرئيسي، وحامض الفورميك هو النتيجة النهائية، كل هذه الأفكار تحتاج إلى مزيد من البحث وتحتاج إلى العمل على نطاقات أكبر.
قد تصبح طريقة تحويل ثنائي أكسيد الكربون الجديدة مهمة جدًا بالنسبة لنا في المستقبل، لأسباب أقلها تحويل شيئًا ضار نوعًا ما لا نريده إلى شيء يفيدنا في مجالات متنوعة.
بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 ، كيف تعمل؟ وما أهميتها في حياتنا؟
بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 حولك في كل مكان، في هاتفك النقّال وفي سيارتك وفي حاسوبك المحمول وغيرها من الأجهزة التي لا تُلزمك الإلتصاق بجانب قابس الكهرباء كي تبقى حية، في هذا المقال سنأخذكم معنا في جولة إلى عالم البطاريات وتطورها لتعرف كيف تعمل؟ وما أهميتها في حياتنا؟ وصولا إلى بطاريات الليثيوم التي كانت سببا لنيل جائزة نوبل في الكيمياء عام 2019.
بطارية الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 المستخدمة في حياتنا يوميًا
مبدأ عمل البطارية بوجه عام
تحتوي البطارية على عدد من الخلايا والتي تتكون من قطبان موصولان بدارة كهربائية ويفصل بين القطبين محلول أيوني يحوي أيونات موجبة وسالبة، كما يفصل بين القطبان حاجز يمنع تكون دارة كهربائية قصيرة. تبدأ عملية الشحن بأكسدة القطب السالب والذي يعرف بـ«الأنود»، مما يؤدي إلى حركة الألكترون خلال الدارة بإتجاه القطب الموجب المسمى «كاثودا» فيختزل الإلكترون القادم من الدارة، وتعتمد فولتية البطارية على مقدار فرق الجهد بين القطبين وتتم كامل العملية بصورة لحظية أما عملية إعادة الشحن فتتم بصورة عكسية غير لحظية وتحتاج إلى مصدر كهربائي خارجي.
بدايات بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
أولى البطاريات ظهوراً هي البطارية الفولتية والتي يمثل فيها عنصر «الزنك» الأنود الذي ينتج الإلكترون للدارة، على الجهة المقابلة يقف كاثود النحاس معتمدا على الظروف المحيطة، ففي جوٍ مليء بالأكسجين يتأكسد النحاس جزئيًا إلى CuO ومن ثم يختزل إلى «النحاس» الحُر مجددًا. أما في غياب الأكسجين يُختزل البروتون الموجود في المحلول الأيوني إلى الهيدروجين على سطح النحاس وتصل فولتية البطارية ما بين 0,8 – 1,1 إعتمادًا على المحيط، كما أن هذه البطارية غير قابلة لإعادة الشحن.
بطاريات (الرصاص-الحمض) المستخدمة كبطارية ابتدائية للسيارات تتشابه إلى حدٍ كبير مع البطارية الفولتية، لكنها تختلف عنها في خاصية إعادة الشحن، نذكر أيضا بطارية «النيكل- الحديد» وبطارية «النيكل-الكادميوم» والتي تعتبر أسلافًا لبطارية «النيكل-الهيدرايد الفلزي».
الليثيوم
تم اكتشاف عنصر الليثيوم عام 1817، بعدده الذري 3، وبكثافته التي لا تتجاوز 0,53 جم/مل ويعد أخف عنصر فلزي كما أنه يمتلك جهد اختزال معياري منخفض، مما يجعله مرشحًا قويًا مناسبًا لخلايا البطاريات عالية الفولتية ومرتفعة الكثافة، وبما أنه عنصر نشط سريع التفاعل، فهو ما يستوجب حمايته وعدم تعريضه للهواء.
عنصر الليثيوم وأيونه الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
تخلل الكاثود
نظرا لأن مرشحنا وعنصرنا النشط قد استحوذ على إعجاب العلماء حيث نصبوه أنودًا، اتجهت الأنظار وقتها لإيجاد كاثود مناسب يحقق جهد فولتي عالي، وقد وقع الإختيار على «TiS2» حيث أثبت هذا المركب قدرته على إحتواء الكترون الليثيوم. فالترتيب الصفائحي لمركب TiS2 وبينها أيونات الليثيوم، سمح لها بالتخلل، كما قدم العالم «والتر رودف-Walter Rudoff» التخلل الكيميائي في الأمونيا السائلة منتجًا «Li(0.6)/TiS2»، لكن الثورة الحقيقية كانت عندما استطاع «إم ستانلي وايتيجتون-M.Stanely Whittington» و «فريد جامبل-Fred Gamble» إيضاح أن عملية التخلل تتم ضمن الصيغة «Li(x)TiS2» حيث x أكبر من صفر وأقل أو تساوي واحد. هذه المادة كانت نظير «CdI(2)-NiAs» وأيونات الليثيوم وهذا بدوره حفز وايتنجون لإكتشاف التخلل الكهروكيميائي في هذه المواد، ومع بداية 1973 قدّم هذه المواد كأقطاب في البطاريات.
خلية بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
خلية البطارية مكونة من عنصر الليثيوم كـ أنود و«TiS2» كـ كاثود و«LiPF6» كمحلول أيوني مُذاب في «كربونات البروبيلين-Propylene carbonate» القوة المُحركة الكهربائية للخلية تقترب من 2.5 فولت وتظهر كثافة التيار الأساسي قريبة من ١٠ مترأمبير لكل سم مربع وهذا يعطينا: «(XLi + TiS(4) – → Li(x)TiS(2» ويستمر التفاعل بتخلل أيونات الليثيوم في شبكة «TiS2».
عملياً:
يتم خلط بودرة TiS2 مع «التفلون-Teflon» وترتبط مع داعم معدني مُحاط بفلز بولي بروبالين ومعدن الليثيوم. ولزيادة مرونة الدارة وحركتها بنسبة ١١٠٠ مرة أكبر، يتم غمس خليط من «تيتراهيدروفيوران-Tetrahydrofuran» و «Dimethoxyethane» يحوي على «LiClO 4».
المشكلة التي نسعى لحلها الآن هي حماية الليثيوم وتقليل تفاعله مع الجو، حيث أنه تم العثور على زوائد شجرية تكونت على سطح الخلية لها القدرة على اختراق الطبقة العازلة والوصول إلى القطب الآخر وبالتالي تكون دارة قصيرة أدت إلى انفجارات.
تكوين زوائد وشجيرات الليثيوم التي تتسبب في الدارة القصيرة
الحل أتى في نهاية عام 1979:
على يد «جون جودنوف-John B.Goodenough» وزملائه في جامعة أكسفورد الفائزون بنوبل الكيمياء 2019 وفقًا لبيان اللجنة العلمية لنوبل ، حيث وجد أن «Li(x)CoO» وهو مركب نظير «Li(x)TiS 2» من الممكن أن يعمل كـ «كاثود» لكن بدون توسع الشبكة حيث أن عنصر صغير سالب الشحنة كالأكسجين الذي سيأخذ الأيون الموجب بعملية مصحوبة بتغير أكبر في الطاقة الحرة السالبة وبفولتية أعلى كما أنه سيُتاح لأيونات الليثيوم حركة كافية في شبكات الأكسجين المغلفة المُغلقة، وقد تحقق ذلك مع فرق جهد وصل 5,4 فولت.
بطاريات الليثيوم المعتمدة على الـ LixCoO2
الثورة الثالثة في عالم البطاريات:
تمت في عام 1985 على يد مجموعة بقيادة «اكيرا يوشين- Akira Yoshin» حيث لجأ إلى مركبات الفحم البترولية المستقرة، تتكون هذه المادة من خليط كريستالي وغير كريستالي، وبإستخدام درجة كريستالية محددة ومستقرة بحيث تشكل المنطقة المحيطة حماية للجزء الكريستالي، فاستطاعت أيونات الليثيوم وبشكل متكرر التخلل في هذه المواد. طوّر يوشين بطارية الليثيوم إعتمادًا على ترتيب إنتقال الأيون في الخلية، واستخدم الكربون كـ «أنود» و«Li(x)CoO 2» ك «كاثود»، وتتألف الطبقة العازلة من البولي ايثلين أو بولي بروبولين، والمحلول الأيوني عبارة عن «LiClO 4» المُذاب في كربونات البروبولين. هذه التطورات أدت إلى إنتاج بطاريات الليثيوم تجاريا عام 1991 بفولتية تصل إلى 4.1 و بكثافة طاقة أقتربت من 200 وات لكل لتر، واتضح أن أدخال الجرافيت مع المكونات الأيونية المناسبة بدوره قد يوصل الفولتية إلى 4.2 وبطاقة تقترب من 400 وات لكل لتر.
انتقال أيون الليثيوم داخل بطاريات الليثيوم وتعديلاتها
(1) Volta, A. On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different
Kinds. Philos. Trans. Royal Soc. 1800, 90, 403–431.
(2) Planté, G. Nouvelle Pile Secondaire d’une Grande Puissance. Comptes Rendus Acad. Sci.
1860.
(3) Planté, G. The Storage of Electrical Energy: And Researches in the Effects Created by
Currents Combining Quantity with High Tension; London: Whittaker, 1887.
(4) Placke, T.; Kloepsch, R.; Dühnen, S.; Winter, M. Lithium Ion, Lithium Metal, and Alternative
Rechargeable Battery Technologies: The Odyssey for High Energy Density. J. Solid State
Electrochem. 2017, 21 (7), 1939–1964.
(5) Munro, J. Pioneers of Electricity; or, Short Lives of the Great Electricians; London: The
Religious Tract Society, 1890.
(6) Sinsteden, W. J. Versuche über den Grad der Continuität und die Stärke des Stroms eines
grössern magneto-elektrischen Rotations. Ann. Phys. Chem. 1854, 92, 1–21.
(7) Gautherot, N. Sur le galvanisme. Ann. Chim. 1801, 39, 203–210.
(8) Jungner, E. W. Sätt att på elektrolytisk väg förstora ytan af sådana metaller, hvilkas
syreföreningar äro kemiskt olösliga i alkaliska lösningar. Swedish patent no. 15567, 1901.
(9) Jungner, E. W. Primärt eller sekundärt elektriskt element. Swedish patent no. 10177, 1899.
(10) Edison, T. A. Reversible Galvanic Battery. US patent no. 692,507, 1902.
(11) Arfwedson, J. A. Untersuchung einiger bei der Eisen-Grube von Utö vorkommenden Fossilien
und von einem darin gefundenen neuen feuerfesten Alkali. J. Chem. Phys. 1818, 22, 93–117.
(12) Berzelius, J. J. Ein neues mineralisches Alkali und ein neues Metall. J. Chem. Phys. 1817, 21,
44–48.
(13) Glaize, C.; Genié, S. Lithium Batteries and Other Electrochemical Storage Systems; ISTE
Ltd., 2013.
(14) Lewis, G. N.; Keyes, F. G. The Potential of the Lithium Electrode. J. Am. Chem. Soc. 1913,
35, 340–344.
(15) Harris, W. S. Electrochemical Studies in Cyclic Esters; PhD thesis, University of California,
Berkeley, 1958.
(16) Yao, Y.-F. Y.; Kummer, J. T. Ion Exchange Properties of and Rates of Ionic Diffusion in BetaAlumina. J. Inorg. Nucl. Chem. 1967, 29 (9), 2453–2475.
(17) Kummer, J. T.; Neill, W. Thermo-Electric Generator. US patent No. 3,458,356, 1969.
(18) Newman, J. Transport in Electrolytic Solutions. Adv. Electrochem. Electrochem. Eng. 1967,
5, 87–135.
(19) Whittingham, M. S. Chemistry of Intercalation Compounds: Metal Guests in Chalcogenide
Hosts. Prog. Solid State Chem. 1978, 12 (1), 41–99.
(20) Rüdorff, W. Chimia 1965, 19, 489.
(21) Bichon, J.; Danot, M.; Rouxel, J. Systematique Structurale Pour Les Series d’intercalaires
Mxtis2 (M= Li, Na, K, Rb, Cs). Comptes Rendus Acad. Sci., Ser. C, Sci. Chim. 1973, 276, 1283–
1286.
(22) Whittingham, M. S.; Gamble, F. R. The Lithium Intercalates of the Transition Metal
Dichalcogenides. Mater. Res. Bull. 1975, 10 (5), 363–371.
(23) Whittingham, M. S. Electrointercalation in Transition-Metal Disulphides. J. Chem. Soc.,
Chem. Commun. 1974, 328–329.
(24) Whittingham, M. S. Batterie à Base de Chalcogénures. Belgian patent no. 819672, 1975.
(25) Whittingham, M. S. Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry. Science 1976,
192 (4244), 1126–1127.
(26) Whittingham, M. S. History, Evolution, and Future Status of Energy Storage. Proc. IEEE
2012, 100, 1518–1534.
(27) Armand, M. B. Intercalation Electrodes. In Materials for Advanced Batteries. NATO Conf.
Ser. (VI Mater. Sci.); Murphy, D. W., Broadhead, J., Steele, B. C. H., Eds.; Springer, Boston, MA,
1980, 2, 145–161.
(28) Armand, M.; Touzain, P. Graphite Intercalation Compounds as Cathode Materials. Mater.
Sci. Eng. 1977, 31, 319–329.
(29) Rüdorff, W.; Hofmann, U. Über Graphitsalze. Z. Anorg. Allg. Chem. 1938, 238, 1–50.
(30) Schafhaeutl, C. Über die Verbindungen des Kohlenstoffes mit Silicium, Eisen und anderen
Metallen, welche die verschiedenen Gallungen von Roheisen, Stahl und Schmiedeeisen bilden. J.
Prakt. Chem. 1840, 3, 129.
(31) Fredenhagen, K.; Cadenbach, G. Die Bindung von Kalium durch Kohlenstoff. Z. Anorg. Allg.
Chem. 1926, 158, 249.
(32) Goodenough, J. B.; Mizushima, K. Fast Ion Conductors. US patent no. 4,357,215, 1982.
(33) Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. LixCoO2 (0<x<-1): A New
Cathode Material for Batteries of High Energy Density. Mater. Res. Bull. 1980, 15 (6), 783–789.
(34) Yoshino, A.; Sanechika, K.; Nakajima, T. Secondary Battery. US patent no. 4,668,595, May
26, 1987.
(35) Yoshino, A.; Sanechika, K.; Nakajima, T. Japanese patent no. 1989293, 1985.
(36) Yoshino, A. The Birth of the Lithium-Ion Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5798–
5800.
(37) Nishi, Y. The Development of Lithium Ion Secondary Batteries. Chem. Rec. 2001, 1, 406–
413.
(38) Fong, R.; Sacken, U. von; Dahn, J. R. Studies of Lithium Intercalation into Carbons Using
Nonaqueous Electrochemical Cells. J. Electrochem. Soc. 1990, 137 (7), 2009–2013.
(39) Peled, E. The Electrochemical Behavior of Alkali and Alkaline Earth Metals in Nonaqueous
Battery SystemsThe Solid Electrolyte Interphase Model. J. Electrochem. Soc. 1979, 126 (12),
2047–2051.
(40) Padhi, A. K.; Nanjundaswami, K. S.; Goodenough, J. B. Phospho-Olivines as PositiveElectrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1188–
1194.
(41) Thackeray, M. M.; David, W. I. F.; Bruce, P. G.; Goodenough, J. B. Lithium Insertion into
Manganese Spinels. Mater. Res. Bull. 1983, 18, 461–472.
بطارية الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 المستخدمة في حياتنا يوميًا
قررت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أن تمنح جائزة نوبل الكيمياء 2019 إلى:
(جون ب. جودنوف- John B. Goodenough)
(ام. ستانلي ويتنغهام- M. Stanley Whittingham)
(اكيرا يوشينو-Akira Yoshino)
وذلك لتطويرهم بطاريات الليثيوم.
نبذة عن الفائزين بجائزة نوبل الكيمياء 2019
ستانلي ويتنغهام
ولد عام 1941 في بريطانيا وحصل على شهادة الدكتوراه عام 1968 من جامعة أوكسفورد، وعمل بروفيسور في جامعة بينغهامتون في الولايات المتحدة الأمريكية.
جون جودنوف
ولد عام 1922 في مدينة جينا في ألمانيا وحصل على شهادة الدكتوراه عام 1952 من جامعة شيكاغو بأمريكا، وشغل منصب رئيس كلية كوكريل الهندسية في جامعة تكساس.
اكيرا يوشينو
ولد عام 1948 في مدينة سويتو في اليابان وحصل على شهادة الدكتوراه عام 2005 من جامعة أوساكا اليابانية، كما حصل على الزمالة الفخرية من مؤسسة اساهي كاساي في طوكيو، وعمل بروفيسور في جامعة مياجو في اليابان.
بطاريات الليثيوم وسبب فوزها بجائزة نوبل الكيمياء 2019
بفضل هؤلاء العلماء تمكن العالم من صنع كل الأشياء التي يمكن إعادة شحنها، تُستخدم تلك البطاريات القوية في كل شيء بداية من الهواتف المحمولة وحتى أجهزة اللابتوب والأجهزة الكهربائية، أضف على ذلك قدرتها على تخزين كميات كبيرة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، جاعلةً حلم الاستغناء عن الوقود الحفري ممكناً.
دور ستانلي ويتنغهام
بدأت فكرة صنع بطاريات الليثيوم أيون أثناء أزمة الوقود في السبعينيات، سعى وقتها العالم ستانلي ويتنغهام إلى تطوير تقنيات توفر طاقة بعيدة عن الوقود الحفري. فبدأ بحثه بدراسة المواد (فائقة التوصيل-Superconductors) وأكتشف حينها مادة غنية بالطاقة استخدمها في صنع قطب كاثود مبتكر في بطارية الليثيوم، تلك المادة كانت (ثنائي كبريتيد التيتانيوم – titanium disulfide) والتي – على المستوى الجزيئي – تمتلك مسافات بينية تستطيع استيعاب أيونات الليثيوم. أما قطب الأنود فقد استخدم ستانلي معدن الليثيوم في صنعه والذي يمتلك قدرة كبيرة على فقد الإلكترونات.
وبهذا أُنتجت أول بطارية بجهد عظيم يقدر ب 2 فولت، بالرغم كون معدن الليثيوم شديد التفاعل وكون البطارية قابلة للانفجار حينها.
دور جون جودنوف
جاء بعد ذلك دور العالم جون جودنوف، الذي تنبأ بإمكانية زيادة جهد بطارية الليثيوم بمجرد تبديل ثنائي كبريتيد المعدن بأوكسيد المعدن. وبعد بحث قدمه عام 1980، توصل إلى أن استخدام قطب كاثود مصنوع من أوكسيد الكوبالت مع أيونات الليثيوم ينتج بطارية بجهد يصل إلى 4 فولت، والذي كان اكتشاف جلل وقتها، جذب انتباه جميع الأوساط العلمية.
دور اكيرا يوشينو
باستخدام قطب الكاثود الذي طوره جودنوف، قام اكيرا يوشينو عام 1985بابتكار أول نسخة من بطاريات الليثيوم الآمنة التي يمكن استخدامها تجارياً. فبدلاً من استخدام الليثيوم النشط الغير آمن في قطب الأنود، قام باستخدام (فحم الكوك- petroleum coke) وهو مادة كربونية تملك نفس خصائص قطب الكاثود من حيث قدرتها على استيعاب أيونات الليثيوم.
تضافر جهود العلماء الثلاثة
وكانت نتيجة جهود العلماء الثلاثة بطارية قوية يمكن إعادة شحنها مئات المرات قبل أن يقل أداءها، فالشيء المميز في بطاريات الليثيوم أيون أن عملها لا يعتمد على تفاعل كيميائي يقوم بتدمير الأقطاب، لكن على انسياب أيونات الليثيوم ذهاباً وأياباً بين قطبي الكاثود والأنود.
وبدخول بطارية الليثيوم السوق التجاري عام 1991، حدثت ثورة في عالمنا وانفتح الطريق أمام غزو التقنيات اللاسلكية والطاقة الغير أحفورية حياتنا.
إن تأمين طاقة تكفي لتلبية احتياجات البشر هو أحد أكبر التحديات التي تواجه المجتمع، فمصادر الطاقة التي نستخدمها كالبترول والغاز الطبيعي والفحم مصادر غير متجددة وغير نظيفة تسبب تلوث الهواء والاحتباس الحراري الذي يزداد عامًا بعد عام. وفي نفس الوقت، وبحلول عام 2050 سيصل عدد الأشخاص الذين يعملون بالقطاع الصناعي إلى 10 مليارات. القطاع الصناعي سيستمر في النمو، وستنمو معه حاجتنا إلى الطاقة، لذا فإن التوصل إلى مصادر بديلة ونظيفة للطاقة أمر في غاية الأهمية.
يستكشف الباحثون في ASU’s Biodesign Center تقنيات جديدة يمكن أن تمهد الطريق للحصول على طاقة متجددة ونظيفة، للمساعدة في تلبية الطلب العالمي للطاقة.
وفي بحثهم الجديد الذي نُشر في مجلة الجمعية الأمريكية (JACS)، يقوم المؤلف الرئيسي برايان وادزورث، إلى جانب الزملاء آنا بيلر، وديانا خوسنوتدينوفا، وإدجار رييس كروز، والمؤلف غاري مور بوصف تقنية جديدة، والتي تعتمد في عملها على أشباه الموصلات المجمعة للضوء والمواد الحفزية، حيث يحدث داخل الجهاز تفاعلات كيميائية ينتج عنها هيدروجين وأنواع مختزلة من الكربون، والتي يمكن استخدامها لإنتاج وقود نظيف كبديل لمصادر الوقود الحفري.
يقول غاري مور: “في هذا العمل بالذات، قمنا بتطوير أنظمة تدمج تقنيات التقاط وتحويل الضوء مع استراتيجيات تخزين الطاقة المعتمدة على المواد الكيميائية”، فبدلًا من توليد الكهرباء مباشرة من أشعة الشمس، يستخدم هذا الجيل الجديد من التكنولوجيا الطاقة الشمسية لتوليد تفاعلات كيميائية قادرة على إنتاج وقود يختزن طاقة الشمس في روابطه الكيميائية.
شئ جديد تحت أشعة الشمس
أحد المصادر الأكثر جاذبية لإنتاج طاقة مستمرة ونظيفة هو ضوء الشمس. في الواقع، اكتسبت تقنيات الطاقة الشمسية زخمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة.
تقوم الخلايا الشمسية بجمع أشعة الشمس وتحويل الطاقة مباشرة إلى كهرباء. وقد جعلت التكنولوجيا المتطورة والتكاليف المنخفضة من الخلايا الكهروضوئية خيارًا جذابًا كمصدر للطاقة، خاصة في المناطق التي تغمرها الشمس مثل ولاية أريزونا، مع صفائح شمسية كبيرة تغطي مساحات واسعة قادرة على تزويد آلاف المنازل بالطاقة.
يعتقد مور أن مجرد الحصول على الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الكهروضوئية لا يكفي، حيث لا تتوفر دائمًا العديد من مصادر الطاقة المتجددة مثل أشعة الشمس وطاقة الرياح، لذلك يعد تخزين الطاقة من هذه المصادر جزءًا رئيسيًا من أي تكنولوجيا مستقبلية لتلبية متطلبات الطاقة البشرية العالمية على نطاق واسع.
التوهج الشمسي
إحدى الحيل المثيرة للإعجاب في الطبيعة استخدام أشعة الشمس لإنتاج مواد كيميائية غنية بالطاقة، وهي عملية أُتقنت منذ مليارات السنين من قبل النباتات والكائنات العضوية الأخرى التي تقوم بالتمثيل الضوئي. يعقب مور قائلًا: “في هذه العملية، يتم امتصاص الضوء، وتستخدم الطاقة لبدء سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المعقدة التي تنتج في نهاية المطاف الغذاء الذي نتناوله، وعلى مدى الأزمنة الجيولوجية الطويلة الوقود الذي يدير مجتمعنا الحديث”.
في الدراسة الحالية، قامت المجموعة بتحليل المتغيرات الرئيسية التي تحكم كفاءة التفاعلات الكيميائية المستخدمة لإنتاج الوقود من خلال أجهزة اصطناعية مختلفة. وقال وادزورث: “في هذه الورقة ، قمنا بتطوير نموذج حركي لوصف التفاعل بين امتصاص الضوء على سطح أشباه الموصلات، وانتقال الشحنة داخل أشباه الموصلات، ونقل الشحنة إلى طبقة العامل الحفاز، ثم خطوة الحفز الكيميائي”.
يعتمد النموذج الذي طورته المجموعة على إطار مماثل يحكم سلوك الإنزيم، والمعروف باسم Michaelis-Menten kinetics، والذي يصف العلاقة بين معدلات التفاعل الحفزية والوسط الذي يحدث فيه التفاعل. هنا، طُبقَ هذا النموذج على جهازهم الذي يجمع بين أشباه الموصلات لتجميع الضوء والمواد الحفزية لتشكيل الوقود.
في نمذجة ديناميات النظام، حققت المجموعة اكتشافًا مفاجئًا. يقول مور: “في هذا النظام بالذات، لا نقتصر على السرعة التي يمكن بها للعامل الحفاز أن يدفع التفاعل الكيميائي، نحن مقيدون بالقدرة على إيصال الإلكترونات له وتنشيطه. وهذا مرتبط بكثافة الضوء الذي يصل إلى السطح. وقد أظهرت تجاربنا أن زيادة شدة الضوء تزيد من معدل تكوين الوقود”
لهذا الاكتشاف آثار على التصميم المستقبلي لهذه الأجهزة مع التركيز على زيادة كفاءتها. يوضح مور: “ببساطة إضافة المزيد من العامل الحفاز لا يؤدي إلى زيادة معدلات إنتاج الوقود. نحن بحاجة إلى النظر في خصائص امتصاص الضوء لأشباه الموصلات الأساسية، الأمر الذي يفرض علينا بدوره المزيد من التفكير في اختيار العامل الحفاز وكيفية تفاعله مع مكون امتصاص الضوء في الجهاز”
بريق من الأمل
لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به قبل أن تكون هذه التقنية جاهزة للاستعمال. فاستعمالها على نطاق واسع سيتطلب رفع كفاءتها واستقرارها.
هذا البحث الجديد هو مجرد خطوة صغيرة على طريق طويل من أجل مستقبل نعتمد فيه على مصادر الطاقة المتجددة. نتائج هذه الدراسة بالغة الأهمية، لأنها ذات صلة على الأرجح بمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية التي تشمل مواد ماصة للضوء وعوامل حفازة. يقول مور: “المبادئ الأساسية ، وخاصة العلاقة بين شدة الإضاءة وامتصاص الضوء والحفز ينبغي أن تنطبق على مواد أخرى أيضًا”.
