Optimization of degassing conditions for reliable BET surface area and BJH pore analyses of starch aerogels

تخيل عالماً مصنوعاً من إسفنجات غير مرئية وخفيفة الوزن للغاية. هذه ليست إسفنجات المطبخ العادية؛ إنها "أيروجيل" (aerogels)، وهي مواد مليئة بالثقوب الصغيرة لدرجة أنها تتكون في معظمها من مساحات فارغة. يعشق العلماء هذه المواد لأنها تستطيع حبس الحرارة، أو التمسك بالأدوية، أو تنظيف الملوثات. ولكن لمعرفة ما إذا كان الإسفنج جيداً أم لا، عليك قياس ما بداخله: كم تبلغ مساحة السطح المتاحة لالتقاط الأشياء، وما هو حجم الثقوب؟ وللقيام بذلك، يستخدم العلماء اختباراً خاصاً حيث يقومون بتجميد الإسفنج ونفخ غاز النيتروجين فوقه لمعرفة مقدار ما يلتصق به.

ولكن هناك عقبة. قبل أن تتمكن من إجراء هذا القياس، يجب عليك تنظيف الإسفنج. فإذا كان الإسفنج لا يزال رطباً أو يحتوي على بقايا كحول من عملية تصنيعه، فإن تلك البقع الرطبة ستسد الطريق أمام الغاز للوصول إلى الثقوب الصغيرة، مما يعطيك نتيجة منخفضة ومزيفة. لكن الجزء الصعب هنا هو أنك إذا حاولت تجفيف الإسفنج بقوة شديدة أو بحرارة عالية جداً، فقد تتسبب دون قصد في تقليص أو سحق الهيكل الدقيق، مما يفسد عملية القياس بطريقة أخرى. إنه توازن دقيق: عليك تجفيفه بما يكفي ليكون نظيفاً، ولكن ليس لدرجة أن تكسره. هذا البحث يدور حول إيجاد إعداد "غولدي لوكس" (Goldilocks) المثالي -أي الإعداد المناسب تماماً- لتجفيف أيروجيلات النشا حتى يتمكن العلماء من الحصول على الأرقام الحقيقية والصادقة لما تبدو عليه هذه المواد المذهلة حقاً.

معضلة التجفيف الكبرى: إيجاد درجة الحرارة المثالية لإسفنج النشا

في هذه الدراسة، قرر الباحثان سومانجو جوت كور وعلي أوبييتوغولاري من جامعة أركنساس لعب دور المحقق مع أيروجيلات النشا. هذه المواد هي عبارة عن هياكل إسفنجية مسامية مصنوعة من نشا الذرة، ويتم تجفيفها باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (وهي طريقة معقدة تعني تجفيفها تحت ضغط ودرجة حرارة مرتفعين للحفاظ على شكلها المنفوش). أراد الفريق اكتشاف الوصفة الدقيقة لعملية "إزالة الغاز" (degassing)—وهي عملية تسخين العينة تحت الفراغ لسحب كل جزيئات الماء والمذيبات المتبقية قبل الاختبار.

تخيل الأيروجيل كمنزل يحتوي على ملايين الغرف الصغيرة (المسام). إذا حاولت عدّ الغرف بينما لا يزال المنزل مليئاً بالضباب (الرطوبة) والشريط اللاصق (المذيب)، فستحصل على عدد خاطئ. ولكن إذا رفعت الحرارة كثيراً لتنقية الضباب، فقد تذيب الجدران وتتسبب في انهيار المنزل. اختبر الباحثون درجات حرارة مختلفة، تتراوح من 40 درجة مئوية "باردة" وصولاً إلى 200 درجة مئوية "حارقة"، وأوقاتاً مختلفة، من ساعة واحدة وصولاً إلى 24 ساعة كاملة، لمعرفة ما سيحدث لـ "مساحة سطح BET" (وهي مقياس لإجمالي مساحة الجدران داخل الإسفنج) و"حجم مسام BJH" (وهو مقدار المساحة داخل الثقوب).

نقطة التوازن الحرارية
كانت النتائج تشبه الأفعوانية (الرولر كوستر). عندما بدأوا بالعينة "كما هي" (التي كانت مستقرة في درجة حرارة الغرفة)، لم يستطع غاز النيتروجين الدخول بشكل جيد لأن المسام كانت مسدودة بالرطوبة المتبقية. ومع رفع الحرارة ببطء، تحسن امتصاص النيتروجين. حدث السحر عند درجة حرارة 75 مئوية. عند هذه الدرجة، كانت العينة نظيفة تماماً، مما سمح للنيتروجين بغمر المسام، مما أدى إلى أعلى مساحة سطح مقاسة وهي 212 م²/جم.

ومع ذلك، تغيرت القصة عندما ارتفعت الحرارة أكثر. فمع زيادة درجة الحرارة إلى 100، و150، وأخيراً 200 درجة مئوية، بدأت مساحة السطح في الانخفاض، لتصل إلى 139 م²/جم عند أعلى درجة حرارة. يشير البحث إلى أن الحرارة الزائدة لم تكتفِ بتنظيف الإسفنج فحسب، بل بدأت فعلياً في تقليص أو إعادة ترتيب شبكة النشا الدقيقة، مما أدى إلى إغلاق بعض الأبواب المؤدية إلى الغرف الصغيرة. لذا، رغم أن 200 درجة مئوية قد تبدو وسيلة جيدة لجعل الشيء جافاً، إلا أنها كانت قاسية جداً على إسفنج النشا الهش، مما أدى فعلياً إلى إخفاء الحجم الحقيقي للمادة.

عامل الوقت
بعد ذلك، بحثوا في المدة التي يجب ترك العينة فيها داخل الفرن. اختبروا أوقاتاً من ساعة واحدة إلى يوم كامل (24 ساعة). ومن المثير للدهشة أن الوقت لم يكن مهماً بقدر أهمية درجة الحرارة. العينة التي خضعت لعملية إزالة الغاز لمدة ساعة واحدة فقط عند 75 درجة مئوية أظهرت أعلى امتصاص للنيتروجين وأكثر سلوك ثابت. أما تركها لفترة أطول—4 أو 8 أو حتى 24 ساعة—فلم يجعل الإسفنج أكثر نظافة. في الواقع، انخفضت مساحة السطح قليلاً بعد الساعة الأولى، مما يشير إلى أن إبقاء العينة تحت الحرارة والفراغ لفترة طويلة قد يسبب انكماشاً هيكلياً طفيفاً، تماماً كما فعلت درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، ظل حجم المسام ثابتاً تقريباً عند 16 إلى 19 نانومتر بغض النظر عما فعلوه، مما يعني أن الثقوب نفسها لم يتغير حجمها، بل الذي تغير هو "الوصول" إليها.

الحكم النهائي
خلصت الدراسة إلى أنه إذا كنت تريد معرفة الحجم والشكل الحقيقيين والموثوقين لأيروجيل النشا، فلا ينبغي لك التخمين. عليك التعامل معه بلطف. حدد الباحثون 75 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة كشرط "غولدي لوكس" المثالي. هذا الإعداد حار بما يكفي لطرد جميع جزيئات الماء والمذيبات غير المرغوب فيها التي تسد المسام، ولكنه ليس حاراً أو طويلاً بما يكفي لإتلاف الهيكل الدقيق.

من خلال إيجاد هذه الوصفة المحددة، يشير المؤلفون إلى أنه يمكن للعلماء الآن الحصول على قياسات دقيقة وقابلة للتكرار لهذه المواد القابلة للتحلل الحيوي. إنها خطوة صغيرة ولكنها حاسمة: فبدون ظروف التجفيف الصحيحة، قد نعتقد أن الإسفنج الخارق أصغر أو أقل فائدة مما هو عليه في الواقع. لا يدعي البحث أنه اخترع مادة جديدة، لكنه يقدم "كتيب تعليمات" حيوياً لقياسها بشكل صحيح، مما يضمن أن البيانات التي يعتمد عليها العلماء هي بيانات صلبة مثل الأيروجيل الذي يدرسونه.