Sesamum indicum waste-derived Ag–g-C₃N₄ nanocomposite with photocatalytic properties and as disinfectant for water purification

تعد المياه النظيفة متطلباً أساسياً لصحة الإنسان، ومع ذلك لا يزال المليارات من البشر يفتقرون إلى الوصول إليها بشكل آمن ومُدار. وبينما كانت الطرق التقليدية مثل الكلورة أو الترشيح هي المعيار السائد لفترة طويلة، إلا أنها غالباً ما تترك وراءها نواتج ثانوية سامة، أو تتطلب معدات باهظة الثمن، أو تفشل في قتل كل الميكروبات الضارة. واستجابةً لذلك، توجه العلماء نحو نهج مختلف: استخدام الضوء لتحفيز تفاعلات كيميائية تدمر مسببات الأمراض. يعتمد هذا المجال على مواد خاصة تسمى المحفزات الضوئية، والتي تعمل مثل مصانع صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية. فعندما تمتص هذه المواد الضوء، تولد جزيئات شديدة التفاعل قادرة على تفكيك البكتيريا والفيروسات دون ترك بقايا ضارة. ومع ذلك، فإن العديد من هذه المواد إما باهظة الثمن، أو غير فعالة، أو يصعب إنتاجها دون استخدام مواد كيميائية قاسية.

لقًد طور فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لإنشاء مادة قوية لتنقية المياه عن طريق تحويل النفايات الزراعية إلى حل تقني متطور. ويركز عملهم على نوع محدد من المركبات النانوية المصنوعة من جزيئات الفضة ومادة تسمى نيتريد الكربون الجرافيتي. نيتريد الكربون الجرافيتي هو مادة خالية من المعادن تعمل بشكل جيد تحت الضوء المرئي، لكنها غالباً ما تعاني من ضعف الكفاءة بمفردها. ولإصلاح ذلك، قام الباحثون بدمجها مع جسيمات الفضة النانوية، المعروفة بقدرتها على تعزيز قدرة المادة على فصل الشحنات الكهربائية وتوليد الجسيمات التفاعلية اللازمة لقتل البكتيريا. ولا يكمن الاختراق في هذه الدراسة في الجمع بين المواد فحسب، بل في كيفية صنعها. فبدلاً من استخدام المواد الكيميائية الاصطناعية أو المستخلصات النباتية الغذائية التي تنافس الاستهلاك البشري، استخدم الفريق الرماد الناتج عن مخلفات نبات السمسم. هذا النهج يحول منتجاً ثانوياً مهملًا من الزراعة إلى أداة وظيفية لتنقية المياه، مما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري حيث تصبح النفايات مورداً.

بدأ الباحثون بجمع نباتات السمسم، وتجفيفها، وحرقها لإنتاج الرماد. ثم خلطوا هذا الرماد بالماء لإنشاء مستخلص قلوي، والذي عمل كعامل اختزال ومثبت لعملية التصنيع. تم دمج هذا المستخلص الأخضر مع محلول يحتوي على أيونات الفضة ومسحوق نيتريد الكربون الجيدي. وعلى مدار بضع ساعات، سهل المستخلص تحويل أيونات الفضة إلى جسيمات فضة معدنية نانوية، والتي التصقت بعد ذلك بسطح صفائح نيتريد الكربون. وكانت النتيجة مادة مركبة حيث انتشرت جزيئات الفضة الصغيرة، التي يبلغ متوسط حجمها حوالي 14.5 نانومتر، بشكل متساوٍ عبر هيكل نيتريد الكربون.

ولفهم ما صنعوه، أخضع الفريق المادة لسلسلة من الاختبارات الصارمة. فقد استخدموا حيود الأشعة السينية لفحص الهيكل البلوري الداخلي، مما أكد أن الفضة قد تشكلت بنجاح في حالة معدنية وأن هيكل نيتريد الكربون ظل سليماً. وكشف التصوير المجهري أن جسيمات الفضة النانوية كانت موزعة جيداً ولم تتكتل معاً، وهو عامل حاسم للأداء. كما أظهر التحليل أن إضافة الفضة زادت من مساحة سطح المادة بشكل كبير، مما خلق هيكلاً أكثر مسامية مع ثقوب صغيرة تسمح للمياه والبكتيريا بالتفاعل بسهل مع المواقع النشطة. وتحققت الاختبارات الطيفية أيضاً من أن الفضة كانت في شكلها المعدني وأن الروابط الكيميائية داخل نيتريد الكربون قد حُفظت، مما يضمن استقرار المادة.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية كان كيفية تحسين الفضة لقدرة المادة على توليد أنواع الأكسجين التفاعلية. هذه هي الجزيئات غير المستقرة التي تعمل كمؤكسدات قوية، قادرة على إتلاف الجدران الخلوية والحمض النووي للبكتيريا. وأظهرت الاختبارات أن جسيمات الفضة النانوية تعمل كمصائد للإلكترونات، مما يمنعها من إعادة الاتحاد مع الثقوب ويسمح لها بدلاً من ذلك بالتفاعل مع الأكسجين في الماء لإنشاء هذه الجذور الحرة المدمرة. وقد تأكدت هذه الآلية من خلال قياسات رنين دوران الإلكترون، التي رصدت إشارة قوية لهذه الإلكترونات غير المزدوجة في المركب الجديد، وهي إشارة كانت أضعف بكثير في مادة نيتريد الكربون وحدها.

جاء الاختبار الحقيقي للمادة عندما عرضها الباحثون لملوثات المياه الشائعة تحت الضوء المرئي. فقد أدخلوا المركب إلى مستنبتات لنوعين متميزين من البكتيريا: الإشريكية القولونية (E. coli)، وهي مؤشر شائع للتلوث البرازي، والمكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus)، وهي بكتيريا معروفة بقدرتها على الصمود. وفي غضون 60 دقيقة من التعرض للضوء المرئي، حققت المادة انخفاضاً بنسبة 93% في مجتمعات الإشريكية القولونية و89% في المكورات العنقودية الذهبية. كانت العملية أسرع بشكل ملحوظ بالنسبة للإشريكية القولونية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى جدارها الخلوي الأرق، لكن المادة أثبتت فعاليتها ضد كليهما. تمت عملية التطهير دون الحاجة إلى الأشعة فوق البنفسية، أو المؤكسدات الخارجية، أو الطاقة الكهربائية، معتمدة فقط على الضوء المرئي المتاح في البيئة.

تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن إنشاء أدوات فعالة للغاية لتطهير المياه باستخدام مواد مشتقة من النفايات الزراعية. ومن خلال استخدام رماد السمسم، تجنب الباحثون استخدام المواد الكيميائية السامة أو الموارد الغذائية، مما يوفر مساراً منخفض التكلفة ومستداماً للمضي قدماً. تجمع المادة الناتجة بين خصائص امتصاص الضوء لنيتريد الكربون الجرافيتي والقدرة المضادة للبكتيريا للفضة، مما يخلق نظاماً يتسم بالكفاءة والصداقة للبيئة في آن واحد. وبينما لا تزال هناك حاجة لمزيد من العمل لتوسيع نطاق هذه التكنولوجيا للتطبيق في العالم الحقيقي، فإن النتائج توفر دليلاً مقنعاً على إمكانية تحويل المنتجات الثانوية إلى حلول متقدمة لأحد أكثر تحديات البشرية إلحاحاً.