Solvent effect on film microstructure

في عالم علم المواد، تُعد الطريقة التي يتحول بها السائل إلى غشاء صلب عملية توازن دقيقة. تخيل طبقة رقيقة من البوليمر السائل تستقر على سطح ما؛ لكي تتحول هذه الطبقة إلى غشاء مفيد، يجب على العلماء استبدال المذيب السائل الذي يمسك بها بالماء. وبينما يندفع الماء للداخل ويندفع المذيب للخارج، تتصلب المادة، مما يحبس بداخلها نمطًا محددًا من الثقوب والقنوات. هذا النمط، المعروف باسم البنية المجهرية، هو ما يحدد ما إذا كان الغشاء النهائي سيعمل كمنخل دقيق لتنقية المياه أو كحاجز كثيف للتغليف. لعقود من الزمن، اعتمد الباحثون على مذيبات صناعية قوية لإنتاج هذه الأفلام، لكن العديد من هذه المواد الكيميائية سامة وضارة بالبيئة. وكان التحدي يكمن في إيجاد بدائل "خضراء" أكثر أمانًا يمكنها مع ذلك إنتاج مواد عالية الجودة دون المساس بالهيكل الداخلي المعقد اللازم لعمل الغشاء.

لقد شرع فريق من الباحثين من جامعة أوسترافا التقنية، بالتعاون مع زملاء من إسبانيا وبلجيكا، في حل هذا اللغز باستخدام خلات السليلوز، وهي مادة متعددة الاستخدامات مشتقة من الألياف النباتية وتُستخدم على نطاق واسع في كل شيء، بدءًا من مرشحات المياه وصولًا إلى الأجهزة الطبية. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم استبدال المواد الكيميائية القاسية التقليدية بخيارات أكثر استدامة مثل إيثيل لاكتات وثنائي ميثيل كربونات. هذه المذيبات الخضراء مشتقة من مصادر متجددة وهي أكثر أمانًا في التعامل، لكن العلماء كانوا بحاجة إلى معرفة ما إذا كانت ستتصرف بنفس الطريقة عند تحويل محلول سائل إلى غشاء صلب. أعد الفريق محاليل من خلات السليلوز باستخدام مزيج من المذيبات التقليدية وهذه البدائل الخضية الجديدة، ثم صبّوها في شكل أفلام رقيقة وغمرتها في الماء لتحفيز عملية التصلب. ومن خلال مراقبة الأفلام الناتية بدقة تحت مجاهر قوية وقياس خصائصها الفيزيائية، اكتشفوا أن اختيار المذيب يفعل ما هو أكثر من مجرد إذابة المادة؛ فهو يحدد بشكل أساسي شكل وحجم المسام داخل الغشاء.

وجد الباحثون أن السرعة التي يتبخر بها المذيب هي عامل حاسم في تحديد الهيكل النهائي للغشاء. فعندما استخدموا مذيبات شديدة التطاير مثل رباعي هيدرو فوران أو الأسيتون، اختفى السائل تقريبًا في لحظات من سطح الغشاء حتى قبل أن يلمس حمام الماء. هذا التجفيف السريع ترك كمية ضئيلة جدًا من المذيب داخل الغشاء لتبادلها مع الماء، مما تسبب في تصلب المادة إلى بنية كثيفة ومحكمة التعبئة مع وجود ثقوب قليلة جدًا. في المقابل، فإن المذيبات التي تتبخر ببطء أكبر، مثل N-ميثيل-2-بيروليدون أو ثنائي ميثيل فورميد، سمحت بمزيد من الوقت لتغلغل الماء ودفع المذيب للخارج. هذه العملية الأبطተኛ للتبادل شجعت على تكوين شبكة مسامية تشبه الإسفنج ذات فتحات أكبر. وكشفت الدراسة أن مجرد استبدال مذيب سام بآخر أخضر ليس كافيًا؛ بل يجب أن يمتلك المذيب الجديد توازنًا صحيحًا من الخصائص للتحكم في سرعة جفاف الغشاء وكيفية تفاعل الماء معه أثناء عملية التصلب.

ومن بين المذيبات الخضراء التي تم اختبارها، أنتج إيثيل لاكتات وثنائي ميثيل كربونات نتائج متباينة تمامًا، مما أثبت أن ليست كل الخيارات المستدامة تتصرف بالطريقة نفسها. فقد خلق إيثيل لاكتات غشاءً بمسام كبيرة نسبيًا ومسامية متوسطة، مما يشير إلى أنه يمكن أن يكون مرشحًا ممتازًا للتطبيقات التي تتطلب تدفق المياه بسهولة، مثل الترشيح. ومن ناحية أخرى، نتج عن ثنائي ميثيل كربونات بنية أكثر كثافة مع مسامية محدودة، مما يجعله مناسبًا أكثر للتطبيقات التي تتطلب حاجزًا محكمًا. كما فحص الفريق النظام الداخلي للمادة باستخدام التحليل الحراري وتقنيات الأشعة السينية، ووجدوا أن جميع الأفلام ظلت غير منظمة أو عشوائية (أمورفية) في الغالب، لكن المذيب المحدد المستخدم أثر على كيفية ترتيب سلاسل البوليمر. وقد أثر هذا الترتيب على درجة انصهار الغشاء وقدرته على امتصاص الماء، حيث أدت بعض المذيبات إلى هياكل أكثر تنظيمًا بقليل من غيرها.

في الختام، تُظهر هذه الدراسة أن الطريق نحو التصنيع الأخضر ليس مجرد استبدال بسيط واحد لواحد للمواد الكيميائية. لقد أظهر الباحثون أن الشكل النهائي للغشاء محكوم بتفاعل معقد بين سرعة تبخر المذيب، ومدى اختلاطه بالماء، وكيفية تفاعله مع البوليمر نفسه. وبينما أنتجت المذيبات التقليدية الهياكل الأكثر مسامية، قدمت البدائل الخضاء إمكانيات فريدة لتخصيص خصائص الغشاء لتلبية احتياجات محددة. وقد برز إيثيل لاكتات كبديل واعد لإنشاء أغشية مسامية، بينما وفر ثنائي ميثيل كربونات وسيلة لصنع أفلام أكثر كثافة دون استخدام مواد كيميائية سامة. يسلط هذا العمل الضوء على أنه من خلال فهم السلوك الفيزيائي لهذه المذيبات، يمكن للعلماء تصميم مواد أفضل وأكثر استدامة، مما يضمن أن الانتقال نحو الكيمياء الخضية لا يأتي على حساب الأداء.