Solanum torvum Leaf-Mediated Phytogenic Engineering of Zn- and Sr-Doped MgO Nanoparticles as an Efficient Photocatalyst

تتعرض مياه العالم لضغط مستمر من النفايات الصناعية، ولا سيما من صناعة المنسوجات، التي تطلق كميات هائلة من الأصباغ الاصطناعية في الأنهار والبحيرات. صُممت هذه المواد الكيميائية الملونة لتكون مستقرة ومقاومة للتحلل، مما يعني أنها تستمر في البيئة لفترات طويلة، مما يحجب ضوء الشمس عن النباتات المائية ويشكل مخاطر صحية على البشر والحيوانات. غالبًا ما تتضمن الطرق التقليدية لتنظيف هذه المياه مرشحات فيزيائية تقوم بمجرد نقل التلوث من مكان إلى آخر، أو معالجات كيميائية مكلفة وتستهلك طاقة عالية. وفي السنوات الأخيرة، وجه العلماء اهتمامهم نحو حل أكثر أناقة: استخدام الضوء لتدمير هذه الملوثات. يعتمد هذا النهج على جزيئات دقيقة تسمى "الجسيمات النانوية"، والتي تعمل مثل محركات مجهرية تعمل بالطاقة الشمسية. فعندما تمتص هذه الجسيمات الضوء، تولد أنواعًا كيميائية شديدة التفاعل يمكنها تمزيق جزيئات الصبغة، وتحويلها إلى مواد غير ضارة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون. وكان التحدي يكمن في إيجاد مادة ليست فعالة فحسب، بل وأيضًا رخيصة الصنع وآمنة للبيئة، مما دفع الباحثين إلى استكشاف استخدام النباتات لبناء هذه الأدوات المجهرية.

قام فريق من الباحثين من عدة كليات هندسية في تاميل نادو، الهند، بتطوير طريقة جديدة لإنشاء هذه الجسيمات المنظفة باستخدام أوراق نبات "تيركي بيري" (التي تُعرف علميًا باسم Solanum torvum). وبدلاً من استخدام مواد كيميائية قاسية أو عمليات صناعية عالية الطاقة، قام العلماء بغلي الأوراق لإنتاج مستخلص سائل بني داكن غني بالمركبات الطبيعية. ثم خلطوا عصير النبات هذا مع محالولات تحتوي على المغنيسيوم والزنك والسترونشيوم. عمل مستخلص النبات كبناء طبيعي، حيث وجه المعادن لتشكيل هياكل بلورية صلبة دون الحاجة إلى إضافات سامة. وكانت النتيجة مجموعة من جسيمات أكسيد المغنيسيوم الدقيقة، بعضها مشبع بالزنك والبعض الآخر بالسترونشيوم. ووجد الباحثون أن مستخلص النبات فعل ما هو أكثر من مجرد خلط المكونات؛ فقد تحكم في حجم وشكل الجسيمات، مما ضمن كونها موحدة وصغيرة بما يكفي لتكون عالية الفعالية.

بمجرد إنشاء الجسيمات، فحصها الفريق باستخدام مجاهر قوية وأدوات تعتمد على الضوء. واكتشفوا أن جسيمات أكسيد المغنيسيوم النقية بلغ حجمها حوالي 15.6 نانومتر، بينما تقلصت الجسيمات المشبعة بالزنك إلى 11.2 نانومتر، وبلغت جسيمات السترونشيوم 12.85 نانومتر. كان هذا الانخفاض في الحجم مهمًا لأن الجسيمات الأصغر توفر مساحة سطح أكبر لحدوث التفاعلات الكيميائية. والأهم من ذلك، قام الباحثون بقياس مقدار الطاقة التي تحتاجها هذه الجسيمات لتصبح نشطة. يتطلب أكسيد المغنيسيوم النقي كمية كبيرة من الطاقة ليعمل، مما يحد من استخدامه في ضوء الأشعة فوق البنفسجية عالي الطاقة. ومع ذلك، أدى إضافة الزنك إلى تقليل متطلبات الطاقة هذه بشكل كبير، مما سمح للجسيمات بالعمل مع نطاق أوسع من الضوء، كما حسن السترونشيوم أيضًا من قدرة المادة على امتصاص الطاقة. هذا التغيير يعني أن الجسيمات يمكن أن تعمل بكفاءة أكبر في ظروف الضوء الطبيعي.

ولاختبار ما إذا كانت هذه الجسيمات الجديدة قادرة بالفعل على تنظيف المياه، وضع الباحثون هذه الجسيمات في محلول يحتوي على "ميثيلين بلو"، وهو صبغة زرقاء شائعة الاستخدام في المنسوجات. وعرضوا الخليط للأشعة فوق البنفسجية وراقبوا سرعة اختفاء اللون الأزرق. أظهرت النتائج أن الجسيمات المشبعة بالزنك كانت الأكثر فعالية، حيث أزالت 95 بالمائة من الصبغة في الظروف المثالية، تلاها عن قرب الجسيمات المشبعة بالسترونشيوم بنسبة 94 بالمائة، بينما أزال أكسيد المغنيسيوم النقي 89 بالمائة. عملت العملية بشكل أفضل عندما كانت المياه قلوية قليلاً وعند استخدام كمية محددة من المحفز؛ فكمية قليلة جدًا من المحفز تعني عدم وجود قوة تنظيف كافية، بينما الكمية الكبيرة تسببت في تكتل الجسيمات معًا، مما حجب الضوء. كما أكدت الدراسة أنه يمكن إعادة استخدام الجسيمات؛ فبعد غسلها وتجفيفها، احتفظت بمعظم فعاليتها عبر أربع دورات تنظيف متتالية، حيث فقدت جزءًا صغيرًا فقط من قوتها.

يكمن نجاح هذه الطريقة في كيفية ملاءمة ذرات الزنك والسترونشيوم داخل هيكل بلورة المغنيسيوم. فمن خلال استبدال بعض ذرات المغنيسيوم، خلقت هذه العناصر المضافة (dopants) عيوبًا صغيرة في الشبكة البلورية ساعدت في فصل الشحنات الكهربائية بشكل أكثر فعالية. فعندما يصطدم الضوء بالجسيم، فإنه يخلق أزواجًا من الإلكترونات و"الثقوب" التي من شأنها أن تعود وتتحد عادةً وتُهدر الطاقة. الهيكل الجديد يبقيها متباعدة لفترة أطول، مما يسمح لها بالتفاعل مع الماء والأكسجين لتكوية عوامل تنظيف قوية تعمل على تفكيك جزيئات الصبغة. وخلص الباحثون إلى أن استخدام مستخلص أوراق نبات "تيركي بيري" لبناء جسيمات أكسيد المغنيسيوم المطعمة بالزنك والسترونشيوم يوفر طريقة مستدامة ومنخفضة التكلفة وعالية الكفاءة لمعالجة مياه الصرف الصحي، مما يوفر أداة واعدة لمواجهة المشكلة العالمية لتلوث المياه بالصبغات الصناعية.