Synthesis of a superabsorbent with low residual monomer content by gamma irradiation and improving gel strength through surface treatment

تخيل مادة تعمل مثل الإسفنج، ولكنها إسفنجة يمكنها احتواء مئات الأضعاف من وزنها من الماء دون أن تتفكك. هذه هي البوليمرات فائقة الامتصاص، الأبطال غير المرئيين داخل الحفاضات الحديثة، والضمادات الطبية، ومحسنات التربة الزراعية. وهي تعمل عن طريق تشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد واسعة من سلاسل البوليمر التي تحبس جزيئات الماء. ولصنع هذه الشبكات، يقوم العلماء عادةً بخلط مونومر سائل مع بادئ كيميائي، أو "مُنشئ"، لإجبار الجزيئات على الارتباط ببعضها البعض. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة الكيميائية التقليدية غالبًا ما تترك وراءها آثارًا ضئيلة من المواد الأولية غير المتفاعلة. وبالنسبة للمنتجات التي تلامس الجلد الحساس أو تدخل جسم الإنسان، فإن حتى الكميات الضئيلة من هذه المواد الكيميائية المتبقية يمكن أن تكون مشكلة. وهذا يخلق حاجة إلى طريقة أنظف لبناء هذه المواد، طريقة تتجنب البوادئ الكيميائية تمامًا وتترك المنتج النهائي نقيًا قدر الإمكان.

لقد وجد فريق من الباحثين في معهد أبحاث العلوم والتكنولوجيا النووية في طهران طريقة للقيام بذلك بالضبط. فبدلاً من استخدام البوادئ الكيميائية، لجأوا إلى أشعة غاما، وهي شكل من أشكال الضوء عالي الطاقة، لبناء البوليمر فائق الامتصاص الخاص بهم. ومن خلال تعريض محلول من حمض الأكريليك لجرعات محكومة من هذا الإشعاع، قاموا بتحفيز الجزيئات للارتباط معًا وتشكيل هلام (جل) صلب دون إضافة أي مواد كيميائية إضافية. هذه العملية لا تصنع المادة فحسب، بل تعمل أيضًا على تعقيمها، حيث تقتل البكتيريا أثناء تشكلها. واكتشف الباحثون أنه من خلال ضبط قوة الإشعاع وتركيز السائل بعناً، كان بإمكانهم إنشاء هلام نقي للغاية، مع عدم وجود تقريبًا أي مواد أولية متبقية.

بدأ الفريق بخلط حمض الأكريليك مع الماء وكمية صغيرة من هيدروكسيد الصوديوم لمعادلة الحمض، مما خلق محلولاً جاهزًا للبولمرة. ثم صبوا هذه المخاليط في قوارير وعرضوها لأشعة غاما بجرعات تتراوح بين 10 إلى 25 كيلو غراي. وقد تعلموا سريعًا أن تركيز الحمض أمر بالغ الأهمية؛ فعندما كان المحلول خفيفًا جدًا، فشل الإشعاع في إنشاء شبكة صلبة، مما أدى إلى ناتج سائل مائي بدلاً من الهلام. ولكن عندما استخدموا تركيزًا بنسبة 15 بالمائة من حمض الأكريليك، نجح الإشعاع في نسج الجزيئات لتكوين هلام قوي ومرن. ووجدوا أن جرعة قدرها 15 كيلو غراي أعطت أفضل النتائج، حيث أنشأت هلامًا شكل فيه ما يقرب من 86 بالمائة من المادة شبكة صلبة. أما الجرعات الأقل من ذلك فلم تكن كافية لربط عدد كافٍ من الجزيئات، بينما بدأت الجرعات الأعلى من ذلك في تكسير السلاسل، مما أدى إلى إضعاف البنية.

ولضمان سلامة وفعالية هذه الطريقة الجديدة، قام الباحثون بتحليل المادة بالتفصيل. فقد استخدموا تقنية تسمى "تحليل طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فوريه" للنظر في الروابط الكيميائية داخل الهلام. وأكدت النتائج أن الروابط الثنائية في حمض الأكريليك الأصلي قد اختفت، وحلت محلها الروابط الأحادية لسلسلة بوليمر طويلة، مما يثبت أن الإشعاع قد نجح في بناء المادة. كما فحصوا الهلام تحت مجهر قوي، ليكشف عن سطح مغطى بمسام غير منتظمة. هذه الثقوب الصغيرة تزيد من مساحة السطح، مما يسم يسمح للهلام بامتصاص الماء بسرعة. ولعل الأهم من ذلك، هو أنهم اختبروا نقاء المنتج النهائي باستخدام جهاز "الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء". ففي الطرق الكيميائية التقليدية، غالبًا ما تتجاوز المونومرات المتبقية 200 جزء في المليون. وفي المق المقابل، احتوى الهلام المصنع بالإشعاع على أقل من جزء واحد في المليون، وهو مستوى من النقاء يجعله مناسبًا للغاية للتطبيقات الطبية والصحية.

وبينما كان الهلام نقيًا ويمتص الماء جيدًا، لاحظ الباحثون أنه لا يزال لينًا بعض الشيء عند الضغط عليه، وهو أمر شائع لهذه المواد. فالهلام اللين يمكن أن ينهار تحت الوزن، مما يقلل من قدرته على الاحتفاظ بالسوائل في الحفاضات أو ضمادات الجروح. ولحل هذه المشكلة، طبق الفريق معالجة سطحية؛ حيث قاموا بنقع جزيئات الهلام المجففة في محلول يحتوي على عامل ربط متقاطع محدد يسمى "إيثيلين جليكول دي-جليسيديل إيثر"، ثم قاموا بتسخينها. خلقت هذه العملية طبقة خارجية أكثر صلابة لكل جزيء دون تغيير النواة اللينة الممتصة. وكان التأثير دراماتيكيًا؛ فبعد معالجة السطح لمدة 30 دقيقة، تضاعفت قدرة الهلام على امتصاص السائل أثناء الضغط أكثر من مرتين، حيث قفزت من حوالي 13 جرامًا من السائل لكل جرام من الهلام إلى ما يقرب من 30 جرامًا. حدث هذا التحسن لأن المعالجة أضافت روابط إضافية إلى سطح شبكة البوليمر، مما جعله صلبًا بما يكفي لمقاومة الانضغاط مع السماح للماء بالتدفق للداخل.

تخلص الدراسة إلى أن استخدام أشعة غاما هو وسيلة قوية وصديقة للبيئة لإنتاج مواد فائقة الامتصاص عالية الأداء. فهي تلغي الحاجة إلى البوادئ الكيميائية، وتقلل بشكل كبير من البقايا السامة، وتسمح بالتحكم الدقيق في قوة المادة. ومن خلال الجمع بين طريقة التصنيع النظيفة هذه والمعالجة السطحية البسيطة، أنشأ الباحثون مادة تتسم بأنها فائقة النقاء ومتينة ميكانيكيًا في آن واحد. ويقدم هذا النهج مسارًا واعدًا نحو تصنيع منتجات أكثر أمانًا وفعالية في مجالات النظافة والرعاية الصحية، مما يثبت أن الحلول الأكثر تقدمًا تأتي أحيانًا من تسخير القوى الأساسية للطبيعة.