طور الباحثون تقنية جديدة تستند في أساسها على الحرارة لحساب وقياس حجم الجسيمات المجهرية. وتتميز هذه التقنية عن التقنية المعتمدة على الضوء بأنها أقل تكلفة كما تتميز عن التقنيات الكهربائية بأنه يمكن استخدامها على نطاق واسع من المواد. تم إجراء هذا البحث من قبل أعضاء هيئة التدريس في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، وجامعة كارولينا الشمالية في تشابل هيل وجامعة ماركيت.

يقول الدكتور غلين ووكر، المشرف الرئيسي على الورقة العلمية في العمل و أستاذ مشارك في برنامج الهندسة الطبية-الحيوية في ولاية كارولينا الشمالية: “أطلقنا هذه الدراسة بدافع الفضول البحت، لكنها تطورت لتصبح تقنية ذات مزايا هامة لحساب وقياس حجم الجسيمات المجهرية”.

يمكن أن تؤدي التقنية الحرارية الجديدة إلى تطبيقات واسعة  في مجال حساب الجسيمات بالإضافة إلى تطبيقاتها القائمة حاليًا ، حيث يستخدم الأطباء عدادات الجسيمات في حساب وتحديد خلايا الدم والخلايا السرطانية كما تستخدمها بعض مصانع الطباعة لضمان جودة الحبر. ويتطلع الباحثون حاليا لتطبيق هذه التقنية في الكشف عن الجسيمات المعدنية الغير مرغوب فيها في الأجهزة الميكانيكية.

قام الباحثون ببناء جهاز يتكون من أنبوب بلاستيكي ضيق على ركيزة من السيليكون وبتمرير تيار صغير جدًا عبر أسلاك يتم توصيلها إلى نقطة وحيدة في أسفل الأنبوب تتولد حرارة داخله ومن ثم يمكن قياس درجة حرارة الأنبوب ومحتوياته. عند حقن محلول يحتوي على جسيمات مجهرية في الأنبوب فإنه يتدفق عبر السلك، وعند مرور الجسيمات خلال المنطقة الحرارية التي تم تسخينها فإن مقاومة السلك تتغير بسبب تأثير التوصيل الحراري لتلك الجسيمات والتي إما أن ترفع من درجة الحرارة أو تخفضها وبالتالي تزداد المقاومة الكهربائية للسلك أو تقل. وبمعرفة معدل تدفق المحلول خلال الأنبوب، استطاع الباحثون قياس المدة الزمنية لتغير المقاومة الكهربائية وحساب حجم الجسيمات العالقة في المحلول.

يقول د.ووكر: ” حتى الآن ، اختبرت هذه الطريقة بشكل فعال على الجسيمات في نطاق 200 إلى 90 ميكرون والذي يعد أقصى طيف تم قياسه بواسطة العدادات التجارية. لكن من الناحية النظرية فإنه يمكننا الوصول إلى نطاق 10 ميكرون وقياس الخلايا المنفردة. نحن نعمل على ذلك حاليًا”. ويضيف أيضا: ” هناك ثلاث مزايا لهذه التقنية مقارنة بالتقنيات الأخرى، أنها بسيطة وغير مكلفة كما يمكن بواسطتها رصد أي نوع من الجسيمات. بينما نجد أن تقنية التدفق الخلوي المعتمدة على الضوء مكلفة ومعقدة، وتقنية كولتر المعتمدة على الكهرباء يمكن تطبيقها فقط على جسيمات غير موصلة للكهرباء عالقة في محلول موصل”.

ملخص: شرح استخدام الحرارة لحساب الجسيمات المجهرية

تم صنع الكاشف الحراري للجسيمات (TPD Thermal Particle Detector) باستخدام غشاء نيتريد السيليكون بسمك 500 نانومتر يحتوي على طبقة كاشف المقاومة الحرارية RTD)) وصفائح ذات قنوات متناهية الصغر من سيليكون المطاط الصناعي. أظهرت جسيمات ذات أقطار تعادل 90 ميكرون إلى 200 ميكرون تغير نسبي في درجة الحرارة 0.11 k و -0.44 k على الترتيب، وذلك حسب تدفقها عبر أجهزة الاستشعار.

تم تطوير النموذج الحراري من الدرجة الأولى للتنبؤ بالتغيرات في درجات الحرارة، ولإثبات جدوى الكاشف الحراري للجسيمات (TPD) كعداد للجسيمات؛ تم التعامل مع الجزئيات المتعددة ضمن سلاسل لحسابها.

المصدر: جامعة ولاية كارولينا الشمالية

المرجع: 

 phys.org

سعاد السقاف

فيزياء، جامعة الملك عبدالعزيز

@so_alsaggaf