علماء يبتكرون مادة فائقة جديدة قد تحل بدلا عن البلاستيك

مع استمرار تراكم النفايات البلاستيكية حول العالم، مُسببة تحديات بيئية خطيرة، يلجأ الباحثون إلى الطبيعة لإيجاد حلول مستدامة.

وطوّر مقصود رحمن، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة هيوستن، طريقة مبتكرة لتحويل السليلوز البكتيري، وهو مادة قابلة للتحلل الحيوي، إلى مادة متعددة الاستخدامات يُمكن أن تُشكّل بديلا للبلاستيك، بحسب تقرير لجامعة هيوستن في موقع سايتك ديلي.

وتعد هذه المادة واعدة لمجموعة واسعة من الاستخدامات، ويُمكن استخدامها قريبا في صناعة مستلزمات يومية مثل زجاجات المياه التي تُستخدم لمرة واحدة، والتغليف الصديق للبيئة، وحتى ضمادات الجروح. تعتمد جميع هذه التطبيقات على السليلوز البكتيري، وهو بوليمر حيوي متوفر طبيعيا وقابل للتحلل الحيوي، ويوجد في البيئة.

قال رحمن، الذي نشر بحثه في مجلة الاتصالات الطبيعية، "نتوقع أن تصبح هذه الصفائح السليلوزية البكتيرية القوية ومتعددة الوظائف والصديقة للبيئة منتشرة على نطاق واسع، لتحل محل البلاستيك في مختلف الصناعات، وتُساعد في التخفيف من الضرر البيئي".

وتابع رحمن، "نُقدم استراتيجية بسيطة، بخطوة واحدة، وقابلة للتطوير، من القاعدة إلى القمة، لتخليق صفائح سليولوز بكتيرية متينة باستخدام ألياف نانوية مصطفة وصفائح نانوية هجينة متعددة الوظائف قائمة على السليلوز البكتيري، باستخدام قوى مقاومة الشد الناتجة عن تدفق السوائل في جهاز زراعة دوار".

وتتميز صفائح السليلوز البكتيرية الناتجة بمرونة عالية في مقاومة الشد، وقابلية للطي، وشفافية بصرية، وثبات ميكانيكي طويل الأمد". كان م. أ. س. ر. سعدي، طالب دكتوراه في جامعة رايس، المؤلف الرئيسي للدراسة، ودعم شيام باكتا، زميل ما بعد الدكتوراه في العلوم البيولوجية في جامعة رايس، التنفيذ البيولوجي.


تحسين الأداء باستخدام تقنية النانو
وأدى تزايد القلق بشأن الآثار الضارة للمواد البترولية غير القابلة للتحلل على البيئة إلى تزايد الطلب على البدائل المستدامة، مثل المواد الطبيعية أو الحيوية. وقد برز السليلوز البكتيري كمواد حيوية محتملة، متوفرة طبيعيا، وقابلة للتحلل الحيوي، ومتوافقة حيويا.

لتعزيز السليلوز وزيادة فعاليته، قام الفريق بدمج صفائح نانوية من نيتريد البورون في السائل الذي يغذي البكتيريا، وصنعوا صفائح نانوية هجينة من السليلوز البكتيري ونيتريد البورون بخصائص ميكانيكية أفضل (قوة مقاومة شد تصل إلى حوالي 553 ميجا باسكال) وخصائص حرارية (معدل تبديد حرارة أسرع بثلاث مرات مقارنة بالعينات).

وأوضح رحمن أن "هذا النهج القابل للتطوير، والذي يعتمد على خطوة واحدة في التصنيع الحيوي، والذي ينتج صفائح سليلوز بكتيرية متناسقة وقوية ومتعددة الوظائف، سيمهد الطريق نحو تطبيقات في المواد الإنشائية، والإدارة الحرارية، والتغليف، والمنسوجات، والإلكترونيات الخضراء، وتخزين الطاقة".

وأردف، "نحن نوجه البكتيريا بشكل أساسي لتتصرف بطريقة هادفة. فبدلا من التحرك عشوائيا، نوجه حركتها، فتُنتج السليلوز بطريقة منظمة. هذا السلوك المُتحكم به، إلى جانب أسلوبنا المرن في التخليق الحيوي باستخدام مواد نانوية متنوعة، يمكننا من تحقيق محاذاة هيكلية وخصائص متعددة الوظائف في المادة في آن واحد".

وبالحركة، يقصد رحمن الدوران، مُقدما جهاز زراعة دوار مُصمم خصيصا، حيث تُزرع البكتيريا المُنتجة للسليلوز في حاضنة أسطوانية نفاذة للأكسجين، تدور باستمرار باستخدام عمود مركزي لإنتاج تدفق سائل اتجاهي. يُؤدي هذا التدفق إلى حركة اتجاهية مُتسقة للبكتيريا.

وقال رحمن: "هذا يُحسّن بشكل كبير محاذاة الألياف النانوية في صفائح السليلوز البكتيرية السائبة. يُمثل هذا العمل مثالا على العلوم متعددة التخصصات التي تتقاطع فيها علوم المواد وعلم الأحياء والهندسة النانوية".