يشهد العالم كل يوم اختراعاً أو اكتشافاً جديداً يهدف إلى تحسين حياة البشر، أو إلى تخفيف عبء التلوث عن الكرة الأرضية. نقدم في هذا السياق محاولات العلماء في تصنيع مواد جديدة آمنة وصديقة للبيئة.
صنع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا موادّ جديدة مشتقة من النباتات تتصف أنها صلبة مثل العظام وقاسية مثل الألومنيوم، ويمكن لهذه المادة أن تمهد الطريق للبلاستيك الطبيعي المستدام.
لا يكمن أقوى جزء في الشجرة في جذعها أو جذورها مترامية الأطراف، بل في جدران خلاياها المجهرية.
يتكون جدار الخلية الخشبية المفرد من ألياف السليلوز - البوليمر الأكثر وفرة في الطبيعة، والمكون الهيكلي الرئيسي لجميع النباتات والطحالب. يوجد داخل كل الألياف بلورات سليلوز نانوية معززة، أو CNCs، وهي سلاسل من البوليمرات العضوية مرتبة في أنماط بلورية مثالية تقريبـاً. في المقياس النانوي، تعد CNCs أقوى وأكثر صلابة من الكيفلر وهو عبارة عن ألياف تركيبية ذات قوة شد عالية تستخدم بشكل خاص كعامل تقوية في صناعة الإطارات ومنتجات المطاط الأخرى ومعدات الحماية مثل الخوذات والسترات.
إذا كان من الممكن تجميع هذه البلورات في مواد ذات أجزاء كبيرة، يمكن أن تكون CNCs طريقـاً إلى مواد بلاستيكية أقوى وأكثر استدامة ومشتقة بشكل طبيعي.
الآن، صمم فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مركبـاً مصنوعـاً في الغالب من بلورات السليلوز النانوية الممزوجة بقليل من البوليمر الصناعي. تشغل البلورات العضوية حوالي 60 إلى 90 في المائة من المادة - وهو أعلى جزء من CNC تم تحقيقه في مركب حتى الآن.
وجد الباحثون أن المركب القائم على السليلوز أقوى وأكثر صلابة من بعض أنواع العظام، وأقسى من سبائك الألومنيوم الأنموذجية. تحتوي المادة على بنية مجهرية من الطوب والملاط الذي يشبه الصدف، وهي البطانة الداخلية الصلبة لبعض الرخويات.
توصل الفريق إلى وصفة للمركب القائم على CNC والذي يمكنهم تصنيعه باستخدام كل من الطباعة ثلاثية الأبعاد والصب التقليدي. لقد طبعوا المركب وصبوه في قطع من الفيلم بحجم عملة معدنية صغيرة استخدموه لاختبار قوة المادة وصلابتها. قاموا أيضـاً بتشكيل المركب على شكل سن لإظهار أنه يمكن استخدام المادة يومـاً ما في صنع غرسات الأسنان القائمة على السليلوز - وفي هذا السياق، استبدالها بأي منتجات بلاستيكية أخرى - أقوى وأكثر صلابة واستدامة.
يقول أ. جون هارت، أستاذ الهندسة الميكانيكية: من خلال إنشاء مركبات باستخدام الحاسب الآلي عند التحميل العالي، يمكننا إعطاء خواص ميكانيكية للمواد القائمة على البوليمر لم تكن موجودة من قبل. إذا تمكنا من استبدال بعض البلاستيك القائم على البترول بالسليلوز المشتق بشكل طبيعي، فيمكن القول إن هذا أفضل للكوكب أيضـاً.
نشر هارت وفريقه نتائجهم في 10 فبراير 2022، في مجلة Cellulose.
روابط هلامية
كل عام، يتم تصنيع أكثر من 10 مليارات طن من السليلوز من اللحاء أو الخشب أو أوراق النباتات. يستخدم معظم هذا السليلوز في صناعة الورق والمنسوجات، بينما تتم معالجة جزء منه إلى مسحوق لاستخدامه في مكثفات الطعام ومستحضرات التجميل.
في السنوات الأخيرة، اكتشف العلماء استخدامات بلورات السليلوز النانوية، والتي يمكن استخلاصها من ألياف السليلوز عبر التحلل الحمضي. يمكن استخدام البلورات القوية بشكل استثنائي كتعزيزات طبيعية في المواد القائمة على البوليمر. لكن الباحثين كانوا قادرين فقط على دمج أجزاء منخفضة من CNCs، حيث تميل البلورات إلى التكتل والارتباط الضعيف بجزيئات البوليمر.
سعى هارت وزملاؤه لتطوير مركب به نسبة عالية من CNCs، بحيث يمكنهم تشكيلها في أشكال قوية ومتينة. بدأوا بخلط محلول من البوليمر الصناعي مع مسحوق CNC المتاح تجاريـاً. حدد الفريق نسبة CNC والبوليمر التي ستحول المحلول إلى هلام، مع تناسق يمكن إما تغذيته من خلال فوهة طابعة ثلاثية الأبعاد أو صبها في قالب تقليدي. استخدموا مسباراً فوق صوتي لتفكيك أي كتل من السليلوز في الهلام، مما يزيد من احتمالية أن يكون السليلوز المشتت روابط قوية مع جزيئات البوليمر.
قاموا بتغذية بعض الجل من خلال طابعة ثلاثية الأبعاد وصبوا الباقي في قالب. ثم تركوا العينات المطبوعة تجف. في هذه العملية، تقلصت المادة، تاركة وراءها مركبـاً صلبـاً يتكون أساسـاً من بلورات السليلوز النانوية.
يقول راو: لقد فككنا الخشب بشكل أساسي وأعدنا بنائه. أخذنا أفضل مكونات الخشب، وهي بلورات السليلوز النانوية، وأعدنا بناءها للحصول على مادة مركبة جديدة.
شقوق صعبة
ومن المثير للاهتمام، عندما فحص الفريق هيكل المركب تحت المجهر، لاحظوا أن حبيبات السليلوز استقرت في نمط من الطوب وقذائف الهاون، على غرار بنية الصدف. ففي الصدف، هذه البنية المجهرية المتعرجة تمنع الشق من المرور مباشرة عبر المادة. وجد الباحثون أن هذا هو الحال أيضـاً مع مركب السليلوز الجديد.
لقد اختبروا مقاومة المادة للتشققات، باستخدام أدوات لبدء أول شقوق نانوية ثم شقوق صغيرة الحجم. ووجدوا أنه عبر مقاييس متعددة، فإن الترتيب المركب لحبيبات السليلوز يمنع الشقوق من تقسيم المادة. تمنح هذه المقاومة لتشوه البلاستيك المركب صلابة وقساوة عند الحدود بين اللدائن التقليدية والمعادن.
للمضي قدمـاً، يبحث الفريق عن طرق لتقليل انكماش المواد الهلامية أثناء تجفيفها. في حين أن الانكماش لا يمثل مشكلة كبيرة عند طباعة أشياء صغيرة، فإن أي شيء أكبر يمكن أن ينثني أو يتشقق عندما يجف المركب.
يقول راو: إذا كان بإمكانك تجنب الانكماش، يمكنك الاستمرار في التوسع، ربما إلى مقياس متر. بعد ذلك، إذا أردنا أن نحلم بشكل كبير، فيمكننا استبدال جزء كبير من البلاستيك بمركبات السليلوز.
زجاج مرن غير قابل للكسر
يطور العلماء في جامعة ماكجيل "زجاجـاً غير قابل للكسر" مستوحى من الطبيعة – أقوى بـ 3 مرات، وأكثر مقاومة للكسر بمقدار 5 مرات. هذا الزجاج أقوى وأكثر صلابة، مستوحى من الطبقة الداخلية من أصداف الرخويات. بدلاً من الانهيار عند الاصطدام، تتمتع المادة الجديدة بمرونة البلاستيك ويمكن استخدامها لتحسين شاشات الهواتف المحمولة في المستقبل، من بين تطبيقات أخرى.
في حين أن تقنيات مثل التقسية والتصفيح يمكن أن تساعد في تقوية الزجاج، إلا أنها مكلفة ولم تعد تعمل بمجرد تلف السطح. حتى الآن كانت هناك مقايضات بين القوة العالية والمتانة والشفافية. يقول ألين إرليشر، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الحيوية بجامعة ماكجيل: إن مادتنا الجديدة ليست أقوى ثلاث مرات من الزجاج العادي فحسب، بل إنها أيضـاً أكثر مقاومة للكسر بأكثر من خمسة أضعاف.
الطبيعة سيدة التصميم
مستوحى من الطبيعة، ابتكر العالم مادة جديدة من الزجاج والأكريليك المركبة تحاكي أصداف عرق اللؤلؤ.
"الطبيعة هي سيد التصميم. توفر دراسة بنية المواد البيولوجية وفهم كيفية عملها، وأحيانـاً المخططات، لمواد جديدة "، كما يقول إيرليشر.
ويشرح قائلاً: من المثير للدهشة أن الصدف يتمتع بصلابة مادة صلبة ومتانة مادة ناعمة، مما يمنحه أفضل ما في العالمين. إنه مصنوع من قطع صلبة من مادة تشبه الطباشير ومغطاة ببروتينات طرية عالية المرونة. ينتج عن هذا الهيكل قوة استثنائية، مما يجعله أقوى بـ 3000 مرة من المواد التي يتكون منها.
أخذ العلماء هندسة الصدف ونسخوها بطبقات من رقائق الزجاج والإكريليك، مما أسفر عن مادة قوية بشكل استثنائي لكنها غير شفافة يمكن إنتاجها بسهولة وبتكلفة زهيدة. ثم ذهبوا إلى أبعد من ذلك لجعل المركب شفافـاً بصريـاً. يقول المؤلف الرئيسي علي أميني، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ماكجيل: من خلال ضبط معامل الانكسار للإكريليك، جعلناه يمتزج بسلاسة مع الزجاج لصنع مركب شفاف حقـاً. كخطوات تالية، يخطط العلماء لتحسينه من خلال دمج التكنولوجيا الذكية التي تسمح للزجاج بتغيير خصائصه، مثل اللون والميكانيكا والتوصيل.
اختراع الزجاج المرن المفقود
يُفترض أن الزجاج المرن اختراع مفقود منذ عهد الإمبراطور الروماني تيبيريوس قيصر. وفقـاً للروايات التاريخية الشعبية للمؤلفين الرومانيين جايوس بلينيوس سيكوندوس وبترونيوس، أحضر المخترع وعاء شراب مصنوعـاً من الزجاج المرن أمام الإمبراطور. عندما تم اختبار الوعاء لكسره فقد انكمش فقط بدلاً من أن يتحطم.
بعد أن أقسم المخترع أنه كان الشخص الوحيد الذي يعرف كيفية إنتاج هذه المادة، قام تيبيريوس بإعدام الرجل، خوفـاً من أن يقلل الزجاج المرن من قيمة الذهب والفضة لأنه قد يكون أكثر قيمة.
يقول إيرليشر: عندما أفكر في قصة تيبيريوس، يسعدني أن ابتكاراتنا المادية تؤدي إلى النشر بدلاً من الإعدام.
-----