وداعاً للبلاستيك؟ يبتكر العلماء مواد خارقة جديدة يمكنها إحداث تحول في التصنيع الحديث

يمكن أن تؤدي تقنية تصنيع السليلوز البكتيري المطورة حديثًا إلى إنتاج مواد قوية ومتعددة الوظائف قادرة على استبدال المواد البلاستيكية.

ماذا لو لم يأتِ الجيل التالي من المواد عالية الأداء من مصنع مليء بالمواد البلاستيكية ذات الأساس النفطي، بل من البكتيريا الحية؟

العلماء في جامعة رايس و جامعة هيوستن طوروا طريقة جديدة لتحويل السليلوز البكتيري إلى مادة قوية للغاية ومتعددة الوظائف يمكنها في النهاية أن تحل محل المواد البلاستيكية في منتجات تتراوح من التغليف إلى الإلكترونيات. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في اتصالات الطبيعة، وصف عملية تصنيع قابلة للتطوير توجه البكتيريا لبناء هياكل السليلوز عالية التنظيم ذات قوة ملحوظة وأداء حراري.

تظل النفايات البلاستيكية مشكلة بيئية كبيرة لأن المواد البلاستيكية الاصطناعية تتحلل تدريجيًا إلى جزيئات بلاستيكية دقيقة يمكن أن تطلق مواد ضارة مثل ثنائي الفينول أ (بيسفينول أ) والفثالات والمواد المسرطنة. لاستكشاف بديل أكثر استدامة، ركز الفريق بقيادة محمد مقصود الرحمن، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في جامعة هيوستن والأستاذ المساعد المساعد لعلوم المواد وهندسة النانو في جامعة رايس، على السليلوز البكتيري، وهو أحد أنقى البوليمرات الحيوية الطبيعية وأكثرها وفرة على الأرض.

قال ماسر سعدي، المؤلف الأول للدراسة وطالب الدكتوراه في علوم المواد وهندسة النانو في جامعة رايس: “تضمن نهجنا تطوير مفاعل حيوي دوار يوجه حركة البكتيريا المنتجة للسليلوز، ويضبط حركتها أثناء النمو”. “هذه المحاذاة تعزز بشكل كبير الخواص الميكانيكية للسليلوز الميكروبي، مما يخلق مادة قوية مثل بعض المعادن والزجاج ولكنها مرنة وقابلة للطي وشفافة وصديقة للبيئة.”

التحكم في الحركة البكتيرية لتحسين قوة المواد

تنمو ألياف السليلوز البكتيرية عادة بأنماط عشوائية، مما يحد من قوتها وأدائها. وباستخدام ديناميكيات السوائل الخاضعة للتحكم داخل مفاعل حيوي مصمم خصيصًا، قام الباحثون بمحاذاة ألياف السليلوز النانوية أثناء النمو، مما أدى إلى إنتاج صفائح ذات قوة شد تصل إلى 436 ميجا باسكال.

أضاف الفريق أيضًا صفائح نانوية من نيتريد البورون أثناء عملية التصنيع، مما أدى إلى إنشاء مادة هجينة ذات قوة أكبر تبلغ حوالي 553 ميجا باسكال. وأظهرت المادة المعدلة أيضًا خصائص حرارية محسنة، حيث تبدد الحرارة أسرع بثلاث مرات من عينات التحكم.

طور العلماء في جامعة رايس وجامعة هيوستن طريقة مبتكرة وقابلة للتطوير لهندسة السليلوز البكتيري وتحويله إلى مواد عالية القوة ومتعددة الوظائف. الائتمان: فيديو لخورخي فيدال / جامعة رايس

وقال السعدي: “إن نهج التخليق الحيوي الديناميكي هذا يتيح إنشاء مواد أقوى ذات وظائف أكبر”. “تسمح الطريقة بالتكامل السهل بين مختلف مقياس النانو المضافات مباشرة إلى السليلوز البكتيري، مما يجعل من الممكن تخصيص خصائص المواد لتطبيقات محددة.

ساهم شيام بهاكتا من جامعة رايس في الجوانب البيولوجية للبحث. ومن بين المتعاونين الآخرين بوليكل أجيان، وماثيو بينيت، وماتيو باسكوالي.

منصة قابلة للتطوير للمواد الحيوية متعددة الوظائف

وأوضح السعدي أن “عملية التوليف تشبه في الأساس تدريب مجموعة بكتيرية منضبطة”. “بدلاً من جعل البكتيريا تتحرك بشكل عشوائي، نطلب منها التحرك في اتجاه معين، وبالتالي مواءمة إنتاج السليلوز بدقة. هذه الحركة المنضبطة وتعدد استخدامات تقنية التخليق الحيوي تسمح لنا بتصميم كل من المحاذاة وتعدد الوظائف في نفس الوقت.”

ونظرًا لأن العملية قابلة للتطوير وإتمامها في خطوة واحدة، يعتقد الباحثون أنه يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من الصناعات. وتشمل التطبيقات المحتملة المواد الهيكلية، وأنظمة الإدارة الحرارية، والتعبئة والتغليف، والمنسوجات، والإلكترونيات الخضراء، وتقنيات تخزين الطاقة.

وأضاف الرحمن: “يعد هذا العمل مثالاً رائعًا للبحث متعدد التخصصات عند تقاطع علوم المواد والبيولوجيا وهندسة النانو”. “نحن نتصور أن تصبح صفائح السليلوز البكتيرية القوية ومتعددة الوظائف والصديقة للبيئة منتشرة في كل مكان، لتحل محل المواد البلاستيكية في مختلف الصناعات وتساعد في تخفيف الأضرار البيئية.”

المرجع: “المواد النانوية ثنائية الأبعاد المستحثة بالتدفق مقحمة السليلوز البكتيري الانحياز” بواسطة MASR Saadi، Yufei Cui، Shyam P. Bhakta، Sakib Hasan، Vijay Harikrishnan، Ivan R. Siqueira، Matteo Pasquali، Matthew Bennett، Pulickel M. Ajayan and Ahmad M. Rahman؛ اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-60242-1

تم دعم البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (2234567)، والوقف الأمريكي للغابات والمجتمعات (23-JV−11111129-042)، ومؤسسة ويلش (C-1668). المحتوى هنا هو مسؤولية المؤلفين فقط ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمنظمات والمؤسسات الممولة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.