Structural, Optical, Photocatalytic, and Dielectric properties of Biosynthesized, Sol-Gel, and Simple Precipitated TiO2 nanoparticles

ثاني أكسيد التيتانيوم هو مادة تحيط بنا، غالبًا ما تكون غير مرئية ولكنها حاضرة دائمًا. إنه الصبغة البيضاء في الطلاء، والعامل المعتم في واقي الشمس، ومكون رئيسي في العديد من الأجهزة الإلكترونية. في مستواه الأساسي، هو مسحوق مستقر وغير سام يتفاعل مع الضوء بطريقة محددة للغاية. عندما تسقط أشعة الشمس أو الأشعة فوق البنفسية على هذه المادة، يمكنها تنشيط الإلكترونات، مما يخلق تدفقًا للكهرباء أو يحفز تفاعلات كيميائية تعمل على تفكيك الملوثات. لطالما اهتم العلماء بتقليص حجم هذه المادة إلى مقياس النانومتر، حيث يتغير سلوكها بشكل كبير. عند هذا الحجم الضئيل، تكتسب المادة مساحة سطح هائلة وخصائص كهربائية فريدة، مما يجعلها أداة قوية لتنقية المياه، أو توليد الطاقة، أو استشعار البيئة. ومع ذلك، فإن الطريقة التي يصنع بها العلماء هذه الجسيمات النانوية تهم للغاية؛ إذ تحدد الطريقة المستخدمة لإنتاجها هيكلها الداخلي، وكيفية تفاعلها مع الضوء، ومدى كفاءتها في أداء مهامها.

وضع فريق من الباحثين في جامعة راجشاهي للهندسة والتكنولوجيا في بنغلاديش هدفًا لمقارنة ثلاث طرق مختلفة لصنع جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية. أرادوا معرفة ما إذا كانت الطريقة المستوحاة من الطبيعة يمكن أن تنافس التقنيات الكيميائية الراسخة. فمن ناحية، استخدموا عملية كيميائية تقليدية تسمى "سول-جيل" (sol-gel)، والتي تتضمن تحويل محلول سائل إلى هلام صلب. ومن ناحية أخرى، استخدموا طريقة "الترسيب" البسيطة، حيث تُخلط المواد الكيميائية لتكوين مادة صلبة فورًا. وبين هذين الأسلوبين، قدموا طريقة "خضراء"، باستخدام مستخلص من قشور الليمون المجففة لتوجيه تكوين الجسيمات. يعتمد هذا النهج على المركبات الطبيعية الموجودة في قشر الفاكهة لتعمل كقالب، بهدف إنشاء منتج أكثر رفقًا بالبيئة. ثم أخضع الباحثون جميع أنواع الجسيمات النانوية لثلاثة أنواع من الاختبارات الصارمة لمعرفة كيف أثرت أصولها على بنيتها، وقدرتها على تفكيك الأصباغ، وسلوكها الكهربائي.

بدأ التحقيق بالنظر في البنية الداخلية للجسيمات. وباستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف عن ترتيب الذرات، أكد الفريق أن العينات الثلاث شكلت نفس البنية البلورية، المعروفة باسم "أناتاز" (anatase). وهذا هو الشكل المحدد لثاني أكسيد التيتانيوم الأكثر فائدة للتطبيقات التي يدرسها الباحثون. ومع ذلك، تباين حجم وكمال هذه البلورات بشكل كبير. كانت الجسيمات المصنوعة بمستخلص قشر الليمون هي الأصغر، بحجم بلوري يبلغ حوالي 4.3 نانومتر. أما طريقة الترسيب البسيطة فقد أنتجت بلورات أكبر قليلاً تبلغ 5.5 نانومتر، بينما أسفرت طريقة "سول-جيل" عن الأكبر بحجم 6.5 نانومتر. كما أظهر التحليل أن طريقة قشر الليمون خلقت أكبر قدر من الإجهاد أو الضغط الداخلي داخل الشبكة البلورية، ويرجع ذلك على الأرجين إلى التصاق الجزيئات العضوية الطبيعية من الفاكهة بالسطح وتداخلها مع النمو البلوري المثالي. في المقابل، أنتجت طريقتا "سول-جيل" والترسيب هياكل أكثر استرخاءً ونظامًا.

عندما نظر الباحثون إلى الجسيمات تحت مجهر قوي، وجدوا أن جميع الطرق أنتجت أشكالًا كروية تقريبًا، لكن أحجامها وطريقة تكتلها اختلفت. بلغ متوسط قطر جسيمات قشر الليمون حوالي 32 نانومتر وشكلت مجموعات فضفاضة، مما يشير إلى أن المستخلص الطبيعي كان فعالًا في إبقاء الجسيمات منفصلة ومنعها من النمو الكبير جدًا. وكانت جسيمات "سول-جيل" هي الأكبر، بمتوسط 45 نانومتر، وبدت ككتل متراصة. أما جسيمات الترسيب فكانت مشابهة في الحجم للجسيمات الخضراء، لكنها شكلت مجموعات أكثر كثافة وتجانسًا. وأكد التحليل الكيميائي أن الجسيمات المصنعة بالطريقة الخضراء لا تزال تحتفظ بآثار مستخلص قشر الليمون، والتي ظهرت كبقايا عضوية على أسطحها، بينما كانت الطريقتان الأخريان أكثر نظافة.

اختبر الباحثون بعد ذلك كيف تؤثر هذه الاختلافات الهيكلية على قدرة الجسيمات على التفاعل مع الضوء والقيام بعمل كيميائي. قاموا بقياس الطاقة المطلوبة لإثارة الإلكترونات في المادة، ووجدوا أن عينات الطريقة الخضراء والترسيب كانت تمتلك عتبة طاقة أقل قليلاً من عينة "سول-جيل". يشير هذا التحول الطفيف إلى أن العيوب والبقايا السطحية في العينات الخضراء وعينات الترسيب سمحت لها بامتصاص المزيد من الضوء المرئي. ولاختبار فائدتها العملية، عرض الفريق الجسيمات النانوية للأشعة فوق البنفسجية أثناء خلطها بصبغة زرقاء تسمى "ميثيلين أزرق". كان الهدف هو معرفة مدى سرعة قدرة الجسيمات على تفكيك هذه الصبغة إلى مكونات غير ضارة. كانت النتائج واضحة: كانت الجسيمات المصنوعة بالترسيب البسيط هي الأكثر فعالية، حيث قامت بتفكيك الصبغة بأسريد وتيرة. وأدت جسيمات "سول-جيل" أداءً متوسطًا، بينما كانت جسيمات قشر الليمون هي الأقل فعالية. وخلص الباحثون إلى أن البقايا العضوية ذاتها التي ساعدت الطريقة الخضراء في إنتاج جسيمات صغيرة ومنتظمة، عملت أيضًا كمصائد لحوامل الطاقة، مما تسبب في إعادة اتحادها قبل أن تتمكن من القيام بعمل تفكيك الصبغة.

أخيرًا، فحص الفريق كيفية سلوك الجسيمات كهربائيًا، حيث قاسوا قدرتها على تخزين ونقل الشحنة عبر نطاق واسع من الترددات. وهنا، انقلبت القصة؛ فقد ثبت أن جسيمات قشر الليمون، التي كانت الأسوأ في تنظيف الصبغة، هي الأكثر نشاطًا كهربائيًا. فقد أظهرت قدرة هائلة على تخزين الشحنة الكهربائية عند الترددات المنخفضة، وهي ظاهرة ناتجة عن تراكم الشحنات الكهربائية عند الحدود بين الجسيمات الصغيرة والبقايا العضوية على أسطحها. جعل هذا "الاستقطاب البيني" العينة الخضراء موصلًا فائقًا ذا أعلى موصلية للتيار المتردد وأقل مقاومة إجمالية، رغم أن ذلك يعني أيضًا فقدان المادة لمزيد من الطاقة على شكل حرارة. أظهرت عينات الترسب و"سول-جيل" خسائر كهربائية أقل بكثير وسلوكًا أكثر استقرارًا. وكشفت الخرائط الكهربائية لعينة قشر الليمون عن عمليتي استرخاء متميزتين، مما يشير إلى أن الشحنات تتحرك عبر شبكة معقدة من حدود الحبيبات والعيوب السطحية، بينما أظهرت العينات الأخرى مسارًا كهربائيًا أبسط وأكثر تجانسًا.

توضح هذه الدراسة في النهاية أن اختيار طريقة التصنيع يخلق نوعًا من المقايضة. إن طريق قشر الليمون هو وسيلة ناجحة وصديقة للبيئة لإنتاج جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ذات خصائص كهربائية فريدة، وتحديدًا تخزين الشحنة العالي، والاستقطاب القوي، والموصلية العالية، مما يجعلها مفيدة لتطبيقات إلكترونية محددة. ومع ذلك، يأتي هذا على حساب انخفاض الكفاءة في المهام التحفيزية الضوئية مثل تنقية المياه. وقد برزت طريقة الترسيب البسيطة كأكثر النهج توازنًا، حيث قدمت أفضل أداء لتفكيك الملوثات مع الحفاظ على خصائص كهربائية جيدة. ووفرت طريقة "سول-جيل" حلاً وسطًا. تشير النتائج إلى أنه بينما توفر الطرق المستوحاة من الطبيعة إمكانيات مثيرة لتصميم المواد، فإن التطبيق المحدد هو الذي يحدد أي طريقة هي الأفضل. فلتنقية البيئة، يعد الهيكل النظيف وعالي التبلور أمرًا ضروريًا؛ أما لتخزين الطاقة الكهربائية أو توصيل الشحنة، فإن السطح المعقد والمليء بالعيوب الذي أحدثه مستخلص قشر الليمون يعد ميزة متميزة.