Green Synthesis and Characterization of Titanium Containing Particles Using Leaf Extract of Indigofera argentea

لطالما قدمت الطبيعة للكيميائيين بديلاً لطيفاً للمذيبات القاسية ودرجات الحرارة المرتفة المستخدمة في التصنيع التقليدي. فبدلاً من فرض التفاعلات باستخدام ظروف قصوى، يمكن للعلماء اللجوء إلى المستخلصات النباتية، التي تحتوي على مزيج معقد من المركبات الطبيعية القادرة على توجيه الذرات المعدنية نحو تكوين هياكل صلبة. هذا النهج، المعروف باسم "التخليق الأخضر"، يعتمد على الكيمياء الموجودة داخل الأوراق أو الجذور أو الأزهار لتعمل كعامل مختزل يحول أملاح المعادن، وكعامل تغليف يعمل على استقرار الجسيمات الناتجة. ويُعد التيتانيوم، وهو معدن يُقدر لقوته ومقاومته للتآكل، مرغوباً فيه غالباً في شكل جسيمات دقيقة لاستخدامها في كل شيء، بدءاً من الأسطح ذاتية التنظيف وصولاً إلى الغرسات الطبية. وبينما نجح الباحثون في استخدام نباتات متنوعة لإنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم، وهو شكل محدد وشائع من أكسيد المعدن، إلا أن العملية ليست دائماً مباشرة؛ إذ يكمن التحدي في التأكد تماماً مما تم إنتاجه، لأن مجرد وجود التيتانيوم والأكسجين لا يضمن بالضرورة تكوين الهيكل البلوري المنشود.

في دراسة حديثة، استقصى باحث في الجامعة الإسلامية بباهاولبور ما إذا كان يمكن استخدام مستخلص أوراق نبات Indigofera argentea، وهو نبات موطنه المنطقة، لتخليق جسيمات تحتوي على التيتانيوم. بدأت العملية بمزيج بسيط: حيث تم دمج محلول من رابع كلوريد التيتانيوم، وهو مادة أولية شائعة في كيمياء التيتانيوم، مع مستخلص مائي مُعد عن طريق غلي الأوراق المجففة للنبات. سُخن هذا المزيج وحُرِّك لمدة ساعتين، وخلال هذه الفترة تحول السائل من الأصفر الشاحب إلى الأبيض العكر، مما يشير إلى تكون مادة صلبة. ثم فُصل المسحوق الناتج عن السائل، وجُفف، وخضع لسلسلة من الفحوصات الدقيقة لتحديد طبيعته الحقيقية. لم يكن الهدف مجرد معرفة ما إذا كانت الجسيمات قد تكونت، بل تحديد هويتها الكيميائية وبنيتها بدقة عالية.

كُشف عن المظهر الفيزيائي للمنتج من خلال المجهر الإلكتروني الماسح، وهي تقنية تستخدم حزمة مركزة من الإلكترونات لإنشاء صور تفصيلية للأسطح. وأظهرت الصور أن المادة تتكون من أجسام مستديرة إلى بيضاوية تتكتل معاً في مجموعات متفرعة. وعندما قام الباحث بقياس مئات من هذه الأجسام، بلغ متوسط حجمها حوالي 0.247 ميكرومتر. ورغم أن هذا الحجم صغير جداً بالنسبة للعين البشرية، إلا أنه أكبر تقنياً من التعريف الصارم للجسيم النانوي، مما يضع هذه الأجسام ضمن نطاق "دون الميكرون". وقد ظهرت هذه الأجسام ككتل (Aggregates)، أي مجموعات من الوحدات الأصغر الملتصقة ببعضها، بدلاً من كونها كرات معزولة ومنتظمة تماماً.

ولفهم مكونات هذه الجسيمات، استخدم الفريق تقنية مطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية، وهي طريقة تكشف عن العناصر الموجودة في العينة. وأكد التحليل أن التيتانيوم هو العنصر المهيمن، حيث يشكل حوالي 75 بالمائة من الوزن، بينما يمثل الأكسجين ما يقرب من 20 بالمائة، مع وجود كمية صغيرة من الكربون تشكل البقية. ومع ذلك، كانت نسبة الأكسجين إلى ذرات التيتانيوم تقريباً 1 إلى 1، وهو اختلاف كبير عن نسبة 2 إلى 1 الموجودة في ثاني أكسيد التيتانيوم النقي. هذا التباين يشير إلى أن المادة ليست مركب ثاني أكسيد التيتانيوم القياسي الذي تهدف إليه العديد من درسات التخليق الأخضر. ومن المرجح أن وجود الكربون جاء من المادة النباتية نفسها أو من طريقة تحضير العينة، لكن ذلك لم يغير الملاحظة الأساسية المتمثلة في أن محتوى الأكسجين كان أقل مما هو متوقع للأكسيد المستهدف.

تم فحص البنية الداخلية للجسيمات باستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف كيفية ترتيب الذرات في شبكة بلورية من خلال قياس كيفية ارتداد الأشعة السينية عن المادة. أظهر النمط الناتج أربع قمم متميزة، مما يشير إلى أن المادة كانت بالفعل بلورية، مع نطاقات بلورية صغيرة تتراوح أحجامها بين 41 إلى 70 نانومتر. ومع ذلك، عند مقارنة هذه القمم بالأنماط المعروفة لأكثر شكلين شيوعاً لثاني أكسيد التيتانيوم، وهما الأناتاز والروتيل، لم تتطابق النتائج. فالقمة الأقوى للأناتاز، والتي تظهر عادة عند زاوية محددة، كانت مفقودة، كما أن القمم المرصودة لم تكن متوافقة مع الروتيل أيضاً. وبينما أظهرت بعض القمم عند الزوايا الأعلى تشابهاً طفيفاً مع هياكل أخرى تحتوي على التيتانيوم، إلا أن الأدلة لم تكن قوية بما يكفي لتأكيد المطابقة. وقد أشارت البيانات إلى وجود طور يحتوي على التيتانيوم ظل غير محدد الهوية، بدلاً من كونه أكسيداً معروفاً.

قدمت اختبارات إضافية أدلة حول كيمياء السطح وخصائص امتصاص الضوء للمادة. فقد رصدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء، التي تحدد الروابط الكيميائية من خلال اهتزازها، حزمات تتوافق مع مجموعات الهيدروكسيل والمركبات العضوية، مما أكد أن الجزيئات المشتقة من النبات لا تزال ملتصقة بسطح الجسيمات. كما أشارت حزمة بالقرب من الطرف الأدنى للطيف إلى وجود روابط تيتانيوم-أكسجين، لكن المسح لم يلتقط إشارة كافية لتحديد البنية بدقة. وفي الوقت نفسه، أظهرت قياسات كيفية امتصاص المادة للضوء زيادة حادة في الامتصاص عند أقصر الأطوال الموجية المختبرة، لكن البيانات لم تمتد بعيداً بما يكفي لتحديد "فجوة النطاق" (Band gap)، وهي خاصية رئيسية تحدد كيفية تفاعل المادة مع الضوء. إن غياب حافة امتصاص واضحة جعل الباحثين غير قادرين على تعيين خاصية بصرية محددة للمنتج.

في الختام، خلصت الدراسة إلى أن تفاعل السلائف التيتانية مع مستخلص الأوراق نجح في إنتاج مسحوق صلب يحتوي على التيتانيوم، يتكون من جسيمات "دون ميكرونية" ذات نطاقات بلورية نانوية. ومع ذلك، كانت الأدلة المتاحة غير كافية لتصنيف المنتج كـ ثاني أكسيد التيتانيوم أو أي مركب آخر معروف تحديداً. إن عدم التطابق في النسب العنصرية، وغياب قمم الحيود المميزة، وافتقار المادة إلى حافة امتصاص واضحة، كلها عوامل تشير إلى أن المادة هي شيء آخر تماماً. وقد أكد الباحثون أنه بدون تقنيات أكثر تقدماً، مثل مطيافية رامان أو مطيافية الضوء الإلكتروني للأشعة السينية، ستظل الهوية الدقيقة لهذا الطور لغزاً. ويعتبر هذا العمل تذكيراً بأنه في عمليات التخليق الأخضر، لا يعني مجرد تكون مادة صلبة بالضرورة تكون مادة محددة مقصودة، وأن التوصيف الدقيق متعدد الجوانب أمر ضروري لتجنب الخطأ في تحديد الهوية.