Ambient polyol-mediated self-densification of wood into transparent, high-strength, and biodegradable bioplastics

تخيل عالم علوم المواد كأنه مطبخ ضخم يحاول فيه العلماء خبز الكعكة المثالية. لعقود من الزمن، كان المكون الرئيسي هو البلاستيك المصنوع من النفط. إنه رخيص وقوي، لكنه أيضًا ضيف عنيد لا يغادر الحفلة أبدًا، حيث يسد محيطاتنا ومكبات النفايات لمئات السنين. حاول العلماء خبز نوع جديد من الكعك باستخدام النباتات بدلاً من النفط، آملين أن يكون بنفس القوة ولكن أن يتفتت في النهاية ويعود إلى الأرض. المشكلة هي أن معظم هذه "البلاستيكات النباتية" تشبه "السوفليه" غير المطهو جيدًا: فهي إما ضعيفة للغاية، أو تتطلب فرنًا شديد الحرارة يستهلك كمية هائلة من الطاقة لصنعها، أو تحتاج إلى غراء كيميائي لزج يجعل من المستحيل إعادة تدويرها. السؤال الكبير الذي يطرحه الجميع هو: هل يمكننا تحويل قطعة من الخشب إلى بلاستيك شفاف فائق القوة، سهل الصنع، قوي بما يكثل لحمل الأشياء الثقيلة، ويختفي من تلقاء نفسه عندما ننتهي منه؟

يخبرنا هذا البحث قصة فريق من العلماء الذين وجدوا حيلة ذكية ومنخفضة الطاقة لحل هذا اللغز. لقد أخذوا قطعة من الخشب، ونزعوا منها الأجزاء الداكنة واللزجة التي تمسكها معًا، ونقعوا الهيكل الأبيض الوبري المتبقي في سائل خاص. وبدلاً من ضغطها باستخدام مكبس ضخم وحار، تركوها تجف طبيعيًا في الهواء. المكون السري كان الجلسرين — وهو نفس المادة اللزجة الموجودة في لوشن اليدين والصابون. فكر في الجلسرين كخبير في "المصافحة" الجزيئية. فعندما يجف الخشب، تمتد جزيئات الجلسرين لتمسك بألياف الخشب، وتشدها معًا بقوة مثل حشد من الناس يتجمعون للبحث عن الدفء. هذا يخلق طبقة كثيفة للغاية وشفافة، وهي قوية بشكل مذهل. وجد الباحثون أن هذه المادة، التي يسمونها "G-bioplastic"، يمكنها تحمل ضغط يصل إلى 516.61 ميجا باسكال (وهذا قوي بما يكفي لدعم شخص يزن 70 كجم على شريط رقيق جدًا مثل الورقة!)، وتتحمل درجات الحرارة المتجمدة والغالية، وتقاوم المواد الكيميائية القاسية. والأفضل من ذلك كله، أنه عند رميها في التراب، تختفي تمامًا في غضون 28 يومًا فقط، دون ترك أي أثر خلفها. إنها مادة صلبة كالصخر ولكنها لطيفة على الكوكب.

سحر الخشب "ذاتي الانضغاط"

بدأ العلماء بقطعة متواضلة من خشب البالسا. أولاً، قاموا بخدعة سحرية صغيرة تسمى "إزالة اللجنين" (delignification). تخيل الخشب كمنزل مصنوع من الطوب (السليلوز) الذي يمسكه الملاط (اللجنين). ولصنع البلاستيك، قاموا بغسل الملاط، تاركين وراءهم هيكلًا مساميًا يشبه الإسفنج من السليلوز النقي. هذا الهيكل مليء بالثقوب الصغيرة وهو خفيف الوزن جدًا.

بعد ذلك جاء "السر الصغير". نقع الفريق هذا الخشب الإسفنجي في محلول من الجلسرين والماء. الجلسرين هو "بوليول"، وهو مجرد مصطلح تقني لجزيء له ثلاث "أيدٍ" لزجة (مجموعات هيدروكسيل). وعندما تُرك الخشب ليجف في الهواء في درجة حرارة الغرفة، حدث شيء مذهم. مع تبخر الماء، عملت جزيئات الجلسرين كجسور، تربط ألياف السليلوز ببعضها البعض. ولأن للجلسرين ثلاث أيدٍ، فقد استطاع الإمساك بعدة ألياف في وقت واحد، مما جذبها معًا بقوة.

تسمى هذه العملية "التكثيف الذاتي" (self-densification). فبدلاً من استخدام آلة ضخمة لسحق الخشب، قام الخشب بسحق نفسه. ساعد الجلسرين الألياف على الانهيار في طبقة مرتبة وضيقة، محولاً الإسفنج الضبابي والوبري إلى طبقة شفافة وكثيفة. اختبر الفريق سوائل أخرى مثل الماء والميثانول والإيثيلين جليكول، لكنهم وجدوا أن الجلسرين هو البطل. فالماء لم يشد الألياف بقوة كافية، والكحوليات الأخرى لم تكن تملك ما يكفي من "الأيدي" لصنع جسر قوي بما يكفي. كان الجلسرين مثاليًا، حيث خلق شبكة كثيفة جعلت المادة شفافة وقوية للغاية.

أقوى من الفولاذ (بالوزن)، وأكثر متانة من الورق

كانت النتائج مذهلة. لم تكن طبقة "G-bioplastic" الجديدة قوية فحسب؛ بل كانت بمثابة بطل خارق. يمكنها تحمل قوة شد تبلغ 516.61 ميجا باسكال، وهو أعلى من العديد من المعادن وأقوى بكثير من الورق العادي أو حتى أنواع أخرى من البلاستيكات الخشبية. ولوضع هذا في الاعتبار، فإن شريطًا صغيرًا من هذه المادة، يزن أقل من جرام واحد، يمكنه حمل شخص يزن 70 كجم دون أن ينكسر.

لكن القوة ليست كل شيء؛ فالمادة تحتاج أيضًا إلى أن تكون متينة حتى لا تنكسر عند ثنيها. كانت مادة "G-bioplastic" متينة للغاية. قام الباحثون بثنيها ذهابًا وإيابًا آلاف المرات، ولم تتمزق أو تتشقق مثل الورق العادي. في الواقع، صمدت لأكثر من 30,000 ثنية تحت وزن خفيف، متفوقة بكثير على ورق المكتب القياسي، وورق التغليف، وحتى ورق الترشيح. وحتى بعد ثنيها على شكل وردة ثم فردها، لم تظهر عليها سوى تجاعيد طفيفة، بينما كان من الممكن لورقة عادية أن تتمزق تمامًا.

كما امتلكت المادة "قوة خارقة" ضد درجات الحرارة القصوى. فعند غمسها في النيتروجين السائل (الأبرد من -196 درجة مئوية) أو غليها في الزيت عند 200 درجة مئوية، حافظت "G-bioplastic" على شكلها ولم تذب أو تتفتت. البلاستيكات الشائعة مثل PET أو PVC كانت ستلين أو تتشوه تحت تأثير الحرارة. وهذا يشير إلى أن الشبكة الضيقة من الألياف وجسور الجلسرين تتماسك حتى عندما تصبح الأشياء ساخنة جدًا أو باردة جدًا.

"عرض الاختفاء" والبصمة الخضراء

ربما الجزء الأكثر إثارة في هذه القصة هو ما يحدث للمادة عندما لا تعود هناك حاجة إليها. معظم البلاستيكات تبقى في البيئة لقرون، وتتحلل إلى قطع صغيرة ضارة تسمى الميكروبلاستيك. ومع ذلك، فإن "G-bioplastic" لديها استراتيجية خروج مدمجة. فعندما دفنها الباحثون في التربة الطبيعية، بدأت في التحلل في غضون أسبوعين واختفت تمامًا في غضون 28 يومًا فقط. لم تترك أي بقايا سامة؛ بل عادت ببساًطة إلى الأرض.

نظر الفريق أيضًا في "تكلفة" صنع هذه المادة، ليس فقط من حيث المال، بل من حيث انبعاثات الكربون. فقد حسبوا أن إنتاج كيلوغرام واحد من "G-bioplastic" يطلق 0.598 كجم فقط من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. وهذا جزء ضئيل جدًا من الانبعاثات الناتجة عن صنع البلاستيكات الشائعة مثل PVC أو PE. وبينما تستخدم العملية بعض المواد الكيميائية لنزع مكونات الخشب، فإن حقيقة أنها لا تتطلب ضغطًا عالي الحرارة أو روابط كيميائية سامة تجعلها خيارًا أكثر رفقًا بالبيئة. ويُقدر تكلفة إنتاج طن من هذه المادة بحوالي 1,853.90 دولارًا. ورغم أن هذا أغلى من البلاستيك الرخيص المشتق من النفط، إلا أنه أرخص بكيد من العديد من البلاستيكات الحيوية الأخرى الموجودة في السوق، مثل PLA.

كيف يعمل الأمر: علم "المصافحة"

إذن، كيف تعمل هذه المعجزة حقًا؟ استخدم العلماء محاكاة حاسوبية للنظر داخل المادة على المستوى الذري. ووجدوا أن جزيئات الجلسرين تعمل كـ "موصلات" ديناميكية. فعندما يتم شد المادة، فإن هذه الموصلات لا تنكسر فحسب، بل يمكنها التمدد والانزلاق وإعادة التشكل. وهذا يسمح للمادة بامتصاص الطاقة والانحناء دون انكسار. الأمر يشبه حشدًا من الناس يمسكون بأيدي بعضهم البعض؛ إذا أفلت شخص واحد يده، يمكن للآخرين التكيف والاستمرار في الإمساك، مما يحافظ على تماسك المجموعة.

أظهرت عمليات المحاكاة أن الجلسرين يساعد ألياف السليلوز على التكدس معًا بشكل أضيق بكثير مما لو كانت بمفردها. وهذا التكدس الوثيق هو ما يمنح المادة قوتها وشفافيتها. كما يخلق الجلسرين شبكة من الروابط الهيدروجينية القوية بما يكفي لتماسك المادة، ولكنها قابلة للانعكاس بما يسمح بإعادة تدويرها. حتى أن الباحثين أظهروا أنه إذا أخذت قطعة مستخدمة من "G-bioplastic"، ونقعتها في الماء، وخلطتها، وتركتها تجف مرة أخرى، يمكنك صنع طبقة جديدة. لن تكون بنفس قوة الطبقة الأولى، لكنها ستظل أقوى بكثير من الورق العادي، مما يثبت إمكانية إعادة استخدام المادة.

لماذا يهم هذا الأمر

يقدم هذا البحث طريقة جديدة للتفكير في المواد. فبدلاً من محاولة اختراع مواد كيميائية جديدة من الصفر، استخدم العلماء الهيكل الطبيعي للخشب ومكونًا بسيطًا وشائعًا مثل الجلسرين لابتكار شيء أفضل مما هي عليه أجزاؤه. لقد أثبتوا أنك لست بحاجة إلى مصانع عالية التقنية ومستهلكة للطاقة لصنع بلاستيك عالي الأداء. فأحيانًا، يكون الحل الأفضل هو عملية لطيفة وهادئة تسمح للطبيعة بالقيام بالعمل الشاق.

إن "G-bioplastic" ليست مجرد فضول مختبري؛ بل هي تغيير محتمل لقواعد اللعبة في مجال التغليف، والإلكترونيات القابلة للطي، وغيرها من المنتجات التي تحتاج إلى أن تكون قوية ولكن صديقة للبيئة أيضًا. إنها تظهر أننا نستطيع الحصول على مواد قوية بما يكفي لحمل الأحمال الثقيلة، وشفافة بما يكفي للرؤية من خلالها، ولطيفة بما يكفي لتختفي عندما ننتهي منها. إنها خطوة نحو مستقبل لا يجب أن تكون فيه نفاياتنا مشكلة دائمة.