Optical characteristics of cellulose nanofiber film stored for 5 years

تخيل عالماً يمكن فيه استبدال التغليف البلاستيكي لغذائنا، وشاشات أجهزتنا، وطلاء مبانينا بشيء يُستخلص من الأشجار. هذا هو الوعد الذي تقدمه ألياف السليلوز النانوية، وهي خيوط مجهرية تُسحب من الألياف النباتية وتتميز بالقوة والمرونة والشفافية المذهلة. لقد عرف العلماء منذ زمن طويل أنه عندما تُضغط هذه الألياف الدقيقة في صفائح رقيقة، يمكنها تمرير الضوء بشكل يقارب جودة الزجاج، مما يجعلها مرشحة مثالية لكل شيء، بدءاً من النوافذ الموفرة للطاقة وصولاً إلى شاشات الهواتف الذكية المستقبلية. ومع ذلك، هناك عقبة؛ فمثل جميع المواد العضوية، هذه الصفائح ليست خالدة. فمع مرور الوقت، يمكن للروابط الكيميائية التي تمسكها ببعضها أن تضعف، وقد تبدأ المادة في تغيير لونها، لتتحول إلى اللون الأصفر الباهت وتفقد شفافيتها. وبينما قضى الباحثون سنوات في محاكاة هذا التحلل عبر تعريض العينات لحرارة شديدة أو ضوء اصطناعي مكثف لتسريع العملية، إلا أنهم نادراً ما راقبوا ما يحدث عندما تظل هذه المواد مستقرة ببساطة على رف في غرفة عادية لسنوات.

لقد سعى فريق من الباحثين لسد هذه الفجوة من خلال مراقبة نوعين مختلفين من صفائح الألياف النانوية هذه أثناء تقادمها بشكل طبيعي على مدار خمس سنوات. لم يستخدموا الأفران أو مصابيح الأشعة فوق البنفسية لفرض التغييرات؛ بل وضعوا الصفائح في أكياس بلاستيكية في غرفة في إندونيسيا، تاركين إياها تتنفس الهواء نفسه، وتشعر بنفس الرطوبة، وتختبر نفس مرور الزمن البطيء الذي تختبره أي قطعة أثاث في منزل أو مكتب. كانت المادتان اللتان اختبرهما مصنوعتين بطريقتين مختلفتين؛ النوع الأول، المعروف باسم "سليلوز TEMPO-oxidized"، عولج كيميائياً لمنحه عدداً كبيراً من الشحنات الكهربائية السالبة على سطحه. أما النوع الآخر، المسمى "aqueous counter collision cellulose"، فقد تمت معالجته باستخدام نفاثات مائية عالية الضغط لفصل الألياف دون إضافة تلك الشحنات الكيميائية نفسها. ومن خلال مقارنة هذين النوعين المتميزين بعد خمس سنوات من التخزين الهادئ، أملاً في فهم كيف تؤثر طريقة صنع المادة على بقائها على المدى الطويل.

كشفت النتائج أن المادتين لم تتقادما بنفس الطريقة، وكانت الاختلافات بينهما صارخة. فالصفائح المعالجة كيميائياً، والتي بدأت كالأكثر شفافية بين الاثنين، بدأت تميل إلى الاصفرار بشكل ملحوظ على مدار السنوات الخمس. كان تغير اللون هذا كبيراً لدرجة أن الباحثين استطاعوا قياس تحول واضح نحو اللون الأصفر، وهو علامة على أن البنية الكيميائية تتحلل وتكون جزيئات جديدة تمتص الضوء. وفي المقابل، ظلت الصفائح المعالجة بالماء أكثر بياضاً، حيث أظهرت تغيراً طفيفاً جداً في اللون. يشير هذا إلى أن المعالجة الكيميائية المستخدمة لإنشاء النوع الأول، رغم فائدتها في جعل المادة شفافة في البراية، قد جعلتها أكثر عرضة لعملية التقادم الطبيعي البطيء. فمن المرجح أن الطبيعة الحمضية للمجموعات الكيميائية المضافة أثناء إنشائها عملت كمحفز، مما سرع من تفكك الألياف مقارنة بالنسخة الأكثر حيادية المعالجة بالماء.

وبعيداً عن مجرد اللون، تغيرت الطريقة التي يتحرك بها الضوء عبر الصفائح بطرق غير متوقعة. فالصفائح المعالجة بالماء بدأت معتمة قليلاً، حيث كانت تشتت الضوء أكثر من النوع الآخر، ولكن بعد خمس سنوات، انخفضت هذه العتامة، مما جعل الصفائح تبدو أكثر وضوحاً، رغم أن قدرتها على حجب الضوء ظلت ثابتة. أما الصفائح المعالجة كيميائياً، والتي كانت بالفعل شديدة الشفافية، فلم تصبح معتمة، لكنها أصبحت أكثر شفافية للضوء المرئي مع تقدمها في العمر، وهي نتيجة تبدو متناقضة بالنظر إلى اصفرارها. وجد الباحثون أن المعالجة الكيميائية تسببت في فقدان الصفائح لبعض قدرتها على حجب الضوء، مما حسن وضوحها في الطيف المرئي حتى مع تحولها للون الأصفر. يسلط هذا السلوك المعقد الضوء على أن التقادم ليس عملية واحدة من "التدهور"، بل هو سلسلة من التحولات الكيميائية والفيزيائية المختلفة التي تعتمد كلياً على "الوصفة" الأصلية للمادة.

كما بحثت الدراسة في قوة واستقرار الألياف. فعند اختبار مقاومة الحرارة، بدأت الصفائح المعالجة كيميائياً في التحلل عند درجة حرارة أقل من الصفائح المعالجة بالماء، واتسعت هذه الفجوة قليلاً بعد خمس سنوات من التخزين. كما فقدت الألياف في الصفائح المعالجة كيميائياً قدراً كبيراً من قوتها الميكانيكية، لتصبح أكثر هشاشة مما كانت عليه في البداية. ومع ذلك، حافظت الصفائح المعالجة بالماء على قوتها واستقرارها الحراري بشكل أفضل، حيث أظهرت تغيرات طفيفة فقط. يشير هذا إلى أنه بينما تخلق المعالجة الكيميائية مادة ذات خصائص بصرية ممتازة في البداية، إلا أنها قد تأتي على حساب المتانة طويلة الأمد في بيئة واقعية. فالمادة المعالجة بالماء، رغم أنها قد تكون أقل كمالاً في شفافيتها الأولية، أثبتت أنها الناجي الأكثر قوة على المدى الطويل.

في نهاية المطاف، توفر هذه الملاحظة التي استمرت خمس سنوات مراجعة واقعية حاسمة لمستقبل هذه المواد الخضراء. فهي تظهر أن الظروف التي نستخدمها لاختبار المواد في المختبر — والتي غالباً ما تتضمن حرارة شديدة أو ضوءاً مكثفاً — قد لا تتنبأ بدقة بكيفية تصرفها في غرفة هادئة على مدار عدة سنوات. إن عملية التقادم الطبيعي أبطأ وتتبع قواعد مختلفة، مما يكشف أن التركيبة الكيميائية للمادة لا تحدد فقط كيف تبدو عندما تكون جديدة، بل كيف ستنجو عبر مرور الزمن. وبالنسبة للمهندسين والمصممين الذين يأملون في استخدام هذه الأفلام النباتية في كل شيء، من الألواح الشمسية إلى التغليف، فإن الدرس واضح: اختيار كيفية صنع الألياف لا يقل أهمية عن الألياف نفسها، وما يبدو مثالياً اليوم قد يتغير بطرق لا تظهر إلا بعد سنوات من الانتظار الصبور.