Tertiary-Butyl Amine Functionalized Hierarchical Nano-Acrylic Copolymers for Energy- Efficient CO₂ Sequestration and Indoor Air Remediation

غالباً ما يكون الهواء داخل منازلنا ومكاتبنا أكثر تلوثاً من الهواء في الخارج، وهي أزمة صامتة تدفعها الجدرات التي تأوينا. فعندما يتجمع الناس في أماكن مغلقة دون وجود تبادل كافٍ للهواء النقي، تتراكم كميات ثاني أكسيد الكربون التي يزفرونها إلى مستويات يمكن أن تسبب الصداع، والإرهاق، وحتى مخاطر صحية طويلة الأمد. وفي الوقت نفسه، يرتفع تركيز هذا الغاز نفسه عالمياً في الغلاف الجوي، مما يحبس الحرارة ويغير المناخ. ولعقود من الزمن، حاول العلماء التقاط ثاني أكسيد الكربون باستخدام مواد كيميائية سائلة تعمل على تنقية الغاز من الهواء، لكن هذه الطرق تستهلك الكثير من الطاقة وهي مسببة للتآكل، مما يجعل استخدامها صعباً في المباني اليومية. لقد كان التحدي يكمن في إيجاد مادة يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى كميات هائلة من الطاقة لتحريره لاحقاً، مع أن تكون آمنة وسهلة التطبيق كطلاء على الجدران.

لقد طور فريق من الباحثين في المركز القومي للبحوث في مصر ومعهد المعايير الوطني نوعاً جديداً من المواد الشبيهة بالطلاء يعالج هذه المشكلات عن طريق تغيير كيمياء البوليمر نفسه. فبدلاً من استخدام المواد الكيميائية السائلة القياسية التي تتطلب حرارة عالية لإعادة ضبطها، ابتكروا بوليمراً صلباً نانوياً يعمل مثل الإسفنج لامتصاص ثاني أكسيد الكربون، ولكن مع خدعة كيميائية محددة تسمح له بالعمل في درجات الحرارة الداخلية العادية. وتتكون المادة من قطرات صغيرة من خليط يحتوي على الستيرين، وبوتيل الأكريلات، بالإضافة إلى مادتين مضافتين خاصتين: ميثاكريلات الجليسيديل، التي توفر حلقات تفاعلية للترابط المستقبلي، وحمض الأكريليك، الذي يحتاج إلى تحييد لإيقاف تفاعله المبكر.

جاء الاختراق من خلال كيفية تحييد الباحثين للجزء الحمضي في الخليط. ففي الطرق التقليدية، يستخدم العلماء هيدروكسيد الأمونيوم، وهو مادة كيميائية شائعة تتبخر بسهولة عند جفاف الطلاء، مما يترك وراءه مادة لا تستطيع التقاط ثاني أكسيد الكربون. وفي هذه الدراسة، استبدل الباحثون تلك المادة الكيميائية المتبخرة بـ "ثالثي بوتيل أمين"، وهو جزيء ضخم يبقى محبوساً داخل الغشاء الجاف. وقد منع هذا التغيير حدوث تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها كانت ستفسد بنية المادة أثناء التصني Fabric. والأهم من ذلك، أنه ترك تركيزاً عالياً من المواقع النشطة داخل غشاء الطلاء الجاف، والتي تكون جاهزة لالتقاط جزيئات ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

وعندما اختبر الباحثون هذه الأفلام الجديدة، كان الفرق صارخاً. فقد أظهرت عينة ضابطة مصنوعة من المادة الكيميائية التقلية المتبخرة أنها لم تزيل أي كمية تذكر من ثاني أكسيد الكربون، حيث التقطت أقل من ثلاثة بالمائة من الغاز المار فوقها. وفي المقابل، قام الفيلم المصنوع من المحيد الجديد القائم على الأمين بإزالة ما يقرب من نصف ثاني أكسيد الكربون في مجرى الهواء، محققاً كفاءة إزالة بلغت 49.2 بالمائة خلال عشر دقائق فقط في درجة حرارة غرفة مريحة تبلغ 30 درجة مئوية. ولم تكتفِ المادة بحبس الغاز على سطحها فحسب؛ بل ارتبطت به كيميائياً لتكوين مركب بيكربونات، وهي عملية تتطلب طاقة قلي جداً لعكسها. وهذا يعني أنه يمكن "إعادة شحن" المادة ببساء عن طريق تدفئتها قليلاً، مما يؤدي إلى تحرير الغاز الملتقط وجعل السطح جاهزاً للعمل مرة أخرى.

ويلعب هيكل المادة دوراً حاسماً في هذا الأداء. فقد وجد الباحثون أن الترتيب الكيميائي الجديد تسبب في انتفاخ سلاسل البوليمر وانفصالها إلى مناطق صغيرة ومتميزة. فبعض أجزاء الفيلم ظلت صلبة ومتماسكة، بينما شكلت أجزاء أخرى جزرًا ناعمة ومحبة للماء حيث يحدث التفاعل الكيميائي مع ثاني أكسيد الكربون. تعمل هذه المناطق الناعمة كخزانات صغيرة تحتفظ بالرطوبة اللازمة لحدوث التفاعل، مما يخلق فعلياً شبكة من مواقع التفاعل المجهرية في جميع أنحاء الطلاء. ويسمح هذا الهيكل الداخلي للغاز بالتحرك بسهل عبر الفيلم والوصول إلى المواقع النشطة، محولاً طلاء الجدران السلبي إلى منظف نشط للهواء.

وإلى جانب قدرتها على تنقية الهواء، أثبتت المادة الجديدة أنها طلاء متين. فرغم الكيمياء الداخلية المعقدة، كانت الأفلام الجافة صلبة بما يكفي لمقاومة الخدوش وقوية بما يكفي للالتصاق بالأسطح، مما يلبي المعايير المطلوبة للدهانات الصناعية. وأكد الباحثون أن المادة تعمل من خلال مسار كيميائي محدد حيث تسحب مجموعات الأمين ذرة هيدروجين من جزيئات الماء لتكوين أيون الهيدروكسيد، والذي يهاجم بدوره ثاني أكسيد الكربون لتكوين البيكربونات. وهذه الآلية تختلف عن الطرق القديمة التي تعتمد على تكوين روابط قوية يصعب كسرها، مما يسمح لهذه المادة الجديدة بالعمل بتكاليف طاقة أقل بكثير.

وبينما تعد النتائج واعدة، يقر الباحثون بأن توسيع نطاق هذه العملية للاستخدام في العالم الحقيقي سيتطلب مزيداً من العمل. فقد أصبح الخليط السائل المستخدم لصنع الطلاء شديد اللزوجة مع زيادة تركيز المادة الكيميائية الجديدة، مما قد يجعل من الصعب ضخه وخلطه في المصانع الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك، قد يتأثر أداء المادة بالرطوبة العالية جداً أو بوجود ملوثات أخرى في الهواء، كما لم يتم اختبار المتانة طويلة الأمد للطلاء بعد مئات الدورات من التقاط وإطلاق الغاز بشكل كامل بعد. ويقترح الفريق أن النسخ المستقبلية من هذه التكنولوجيا يمكن دمجها مع مواد أخرى لإنشاء طلاءات ذكية لا تنظف الهواء فحسب، بل تجدد نفسها أيضاً باستخدام الضوء أو الحرارة.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال الاختيار الدقيق للمواد الكيميائية المستخدمة في بناء البوليمر، يمكن إنشاء مادة صلبة تلتقط ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في درجة حرارة الغرفة. وتوفر الدراسة مساراً واضحاً نحو تطوير طلاءات "مضادة للكربنة" يمكنها تحويل المباني العادية إلى مشارك نشط في تنقية الهواء، مما يقدم حلاً محتملاً لجودة الهواء الداخلي وللجهود الأوسع للحد من غازات الاحتباس الحراري. وتشير النتائج إلى أن مفتاح التقاط الكربون الموفر للطاقة قد لا يكمن في المحطات الصناعية الضخمة، بل في البنية المجهرية للمواد التي تغطي جدراننا.