علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Nanoparticle gel unites oil and water in manufacturing-friendly approach
(Chad Boutin – بقلم: تشاد باوتين)
ملخص المقالة:
إضافة الجسيمات النانوية الصحيحة إلى مقادير معينة من الزيت والماء تحول هذين السائلين إلى هلام باستخدامات تتراوح من البطاريات إلى مرشحات المياه إلى النوافذ الذكية المتغيرة الصبغة. وقد تمكن علماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة ديلاوير من تصنيع هذه المواد الهلامية في المختبر بطريقة أفضل، حيث تشكل داخلها مجموعة معقدة من القنوات المجهرية المترابطة، مما يخلق بنية إسفنجية. ولا توفر هذه القنوات ممرات لمواد أخرى للتنقل خلالها، مما يجعلها مفيدة للترشيح، ولكنها تمنح الهلام مساحة كبيرة من السطح الداخلي أيضًا، وهي خاصية ذات قيمة لتسريع التفاعلات الكيميائية أو كسقالات يمكن أن تنمو عليها الأنسجة الحية.
ويشكل النهج الجديد الذي سماه الباحثون “سيد-جل (SeedGel)” وهو “هلام يحركه فصل المذيبات” بدلاً من تصميم الجسيمات النانوية لتظل عند الواجهة بين المذيبين، حيث تتركز الجسيمات المختارة داخل أحدهما. وبينما تميل هذه الجسيمات إلى التنافر، فإن تقارب الجسيمات تجاه أحد المذيبات يكون أقوى ويبقيها معًا في القناة. ويتمتع سيد-جل بقوة ميكانيكية كبيرة، ويمكن تصنيعه بسهولة، كما أن العملية قابلة للتطوير بما يحتاجه المصنعون، بالإضافة إلى أنه قابل للانعكاس الحراري، وهو خاصية بصرية حيث يمكنه التبديل من شفاف إلى معتم والعكس مرة أخرى، فقط عن طريق تغيير درجة حرارته.
(المقالة)
وقد وجد العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا [١] وجامعة ديلاوير [٢] ما يبدو أنه طريقة أفضل لصنع هذه المواد الهلامية، والتي كانت مجالًا للتركيز البحثي المكثف لأكثر من عقد من الزمان. وجزء من فائدتها الواسعة المحتملة هي المجموعة المعقدة من القنوات المجهرية المترابطة التي تتشكل داخلها، مما يخلق بنية إسفنجية. ولا توفر هذه القنوات ممرات لمواد أخرى للتنقل خلالها، مما يجعلها مفيدة للترشيح، ولكنها تمنح الهلام مساحة كبيرة من السطح الداخلي أيضًا، وهي خاصية ذات قيمة لتسريع التفاعلات الكيميائية أو كسقالات يمكن أن تنمو عليها الأنسجة الحية.
وفي حين أن هذه المزايا وغيرها تجعل الأمر يبدو وكأن مبتكري الهلام قد أصابوا الزيت، إلا أن إبداعاتهم لم تجد مكانها في السوق. اذ تتكون المواد الهلامية بشكل شائع من مذيبين سائلين مختلطين معًا. وكما هو الحال مع الزيت والماء، لا تمتزج هذه المذيبات جيدًا؛ ولكن لمنعها من الانفصال التام، يضيف الباحثون جزيئات نانوية مصممة خصيصًا يمكنها البقاء في الواجهة (interface) بينهما. ويسمح تكوين هذه المكونات بعناية بتكوين هلام متماسك. ومع ذلك، فإن العملية متطلبة لأن التصميم المخصص للجسيمات النانوية لكل تطبيق كان صعبًا، وتطلب تشكيل المواد الهلامية تغييرًا سريعًا في درجة الحرارة يتم التحكم فيه بعناية. وهذه القيود جعلت من الصعب إنشاء هذا النوع من الهلام بأي من الكميات الصغيرة المناسبة للتجارب المعملية، عدا النطاق الصناعي.
وكما وصف في ورقة علمية جديدة نشرت في مجلة نايتشر كوميونيكيشينز (Nature Communications) ، وجد فريق من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة ديلاوير طرقًا لتفادي العديد من هذه المشكلات. ويشكل النهج الجديد ما يشير إليه الباحثون باسم “سيد-جل (SeedGel)” وهو اختصار لـ “هلام يحركه فصل المذيبات (solvent segregation driven gel)” بدلاً من تصميم الجسيمات النانوية لتظل عند الواجهة بين المذيبين، حيث تتركز الجسيمات المختارة داخل أحدهما. وبينما تميل هذه الجسيمات إلى التنافر، فإن تقارب الجسيمات تجاه أحد المذيبات يكون أقوى ويبقيها معًا في القناة. وباستخدام أدوات التشتت النيوتروني في مركز أبحاث النيوترونات في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، أثبت الفريق بشكل لا لبس فيه أنه نجح في تركيز الجسيمات النانوية في المكان الذي يريده.
ويمكن أن يكون تكوين الهلام الناتج أسهل بكثير، لأن مذيبيه هما الزيت والماء بشكل أساسي، وجزيئاته النانوية عبارة عن ثاني أكسيد السيليكون – وهي في الأساس كرات صغيرة جدًا من الكوارتز العادي. كما يمكن أن يكون للهلام الناتج مجموعة متنوعة من الاستخدامات الصناعية.
وقال البروفيسور يون ليو، وهو عالم في مركز أبحاث النيوترونات في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وأستاذ منتسب في جامعة ديلاوير: “يتمتع سيد-جل بقوة ميكانيكية كبيرة، ويمكن تصنيعه بسهولة ، كما أن العملية قابلة للتطوير بما يحتاجه المصنعون، بالإضافة إلى أنه قابل للانعكاس الحراري”.
وتشير هذه القابلية للانعكاس إلى خاصية بصرية يمتلكها سيد-جل النهائي: يمكنه التبديل من شفاف إلى معتم والعكس مرة أخرى، فقط عن طريق تغيير درجة حرارته. ويمكن تسخير هذه الخاصية في النوافذ الذكية التي تضع طبقة رقيقة من الهلام (الجل) بين لوحين من الزجاج.
وقال يويين زي ، الباحث من جامعة ديلاوير الذي يعمل أيضًا في مركز أبحاث النيوترونات في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: “هذه الخاصية البصرية يمكن أن تجعل سيد-جل مفيدًا في التطبيقات الأخرى الحساسة للضوء أيضًا، ويمكن أن تكون مفيدة في أجهزة الاستشعار”.
ونظرًا لأنه يمكن استخدام نهج إنشاء الهلام الذي اتبعه الفريق مع مجموعات أخرى من المذيبات والجسيمات النانوية، فقد يصبح مفيدًا في المرشحات لتقنية المياه، وربما عمليات الترشيح الأخرى اعتمادًا على نوع الجسيمات النانوية المستخدمة.
وقال البروفيسور ليو أيضًا إن نهج الإنشاء يسمح بضبط حجم القنوات داخل الهلام عن طريق تغيير المعدل الذي تتغير به درجة الحرارة أثناء عملية التشكيل، مما يوفر لمصممي التطبيقات درجة أخرى من الحرية للاستكشاف.
وقال: “نهجنا هو نهج عام يعمل مع العديد من الجسيمات النانونية والمذيبات المختلفة؛ إنه يوسع بشكل كبير تطبيقات هذه الأنواع من المواد الهلامية”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://floridanewstimes.com/nanoparticle-gels-combine-oil-and-water-with-a-manufacturing-friendly-approach/132244/
لمزيد من المعلومات: بوبين زي وآخرون، Tunable thermo-reversible bicontinuous nanoparticle gel driven by the binary solvent segregation, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-020-20701-3
الهوامش:
[١] المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (National Institute of Standard and Technology (NIST)) هو مختبر للعلوم الفيزيائية ووكالة غير تنظيمية تابعة لوزارة التجارة الأمريكية، وتتمثل مهمته في تعزيز الابتكار والقدرة التنافسية الصناعية. ويكيبيديا
[٢] جامعة ديلاوير هي جامعة أبحاث خاصة وعامة تقع في نيوارك بولاية ديلاوير، وهي أكبر جامعة في ولاية ديلاوير، وتقدم ثلاثة برامج زمالة، و 148 برنامج بكالوريوس، و 121 برنامج ماجستير، و 55 برنامج دكتوراه عبر كلياتها الثمانية.
