Preparation of Gelatin-Based Composite Aerogels with Uniform Multi-Level Porous Structure via the Inverse Temperature Response of Methylcellulose-Gelatin Gels
من خلال الاستفادة من السلوكيات المتآزرة والمتضادة للاستجابة لدرجة الحرارة لكل من ميثيل السليلوز والجيلاتين، نجحت هذه الدراسة في تصنيع هلام هوائي مركب ذي تشابك مزدوج يتميز ببنية مسامية منتظمة متعددة المستويات، والتي تُظهر قوة ميكانيكية معززة بشكل كبير، ومسامية عالية، وقدرات فائقة في امتزاز العطر وتحريره المستدام.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تنتشر الروائح في كل مكان، من عطر الزهور الطازجة إلى رائحة القهوة الصباحية، ومع ذلك فهي تتلاشى بسرعة ملحوة. فالجزيئات التي تحمل هذه الروائح متطايرة، مما يعني أنها تتبخر بسرعة في الهواء، كما أنها غير مستقرة كيميائياً، وغالباً ما تتحلل قبل أن يمكن الاستمتاع بها بالكامل. وبالنسبة لصناعات مثل الأغذية، والعناية الشخصية، والتبغ، يمثل التقاط هذه الروائح الرقيقة وإطلاقها ببطء بمرور الوقت تحدياً كبيراً. ولحل هذه المشكلة، غالباً ما يلجأ العلماء إلى "الأيروجيل" (Aerogels). وهي مواد مذهلة تشبه الدخان المتجمد؛ فهي خفيفة للغاية، وتتكون في معظمها من مساحات فارغة، وتمتاًلك مساحة سطح داخلية شاسعة يمكنها احتجاز مواد أخرى. وبينما تعد أنواع الأيروجيل التقليدية ممتازة في العزل أو تنظيف بقع الزيت، فقد سعى الباحثون طويلاً لجعلها من مصادر طبيعية ومتجددة تكون آمنة ورخيصة الثمن. ويعد الجيلاتين، وهو البروتين الموجود في العديد من الأطعمة، مرشحاً واعداً لأنه يمكنه تكوين هلام عند التبريد، مما يخلق شبكة مسامية. ومع ذلك، غالباً ما تعاني أيروجيلات الجيلاتين من خلل هيكلي: حيث يمكن أن تصبح جدرانها الداخلية غير مستوية أو تنهار أثناء عملية التجفيف، مما يؤدي إلى مادة ضعيفة وغير متسقة.
لقد وجد فريق من الباحثين في الصين طريقة لإصلاح هذا الضعف الهيكلي عن طريق خلط الجيلاتين مع مادة أخرى شائعة وهي: ميثيل السليلوز (methylcellulose). والميثيل سليلوز هو مشتق من السليلوز، المكون الرئيسي لجدران الخلايا النباتية، ويتصرف بطريقة هي النقيض تماماً للجيلاتين. فبينما يتحول الجيلاتين إلى هلام صلب عندما يبرد، يتحول الميثيل سليلوز إلى هلام عندما يسخن. وأدرك الباحثون أنه من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة، يمكنهم استخدام الهلام الدافئ الناتج عن الميثيل سليلوز كـ "سقالة" لتثبيت الجيلاتين في مكانه قبل أن يتصلب الجيلاتين نفسه. وتتضمن هذه العملية إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي (surfactant) محددة لإبطاء تفاعل الميثيل سليلوز، مما يسمح للمادتين بالاختلاط بشكل مثالي قبل أن يتصلبا. والنتيجة هي نوع جديد من الأيروجيل المركب يكون أقوى، وأكثر تجانساً، وأفضل في الاحتفاظ بالروائح من الجيلاتين وحده.
في تجاربهم، صنع العلماء هذه الأيروجيلات الجديدة عن طريق إذابة الجيلاتين والميثيل سليلوز في الماء عند درجة حرارة دافئة. وأضافوا مادة خافضة للتوتر السطحي لضمان عدم تجمد الميثيل سليلوز بسرعة كبيرة، مما سمح للجيلاتين بالانتشار بالتساوي في جميع أنحاء الخليط. وبمجرد أن أصبح المحلول متجانساً، قاموا بتبريده. ومع انخفاض درجة الحرارة، ارتخت شبكة الميثيل سليلوز بينما بدأت سلاسل الجيلاتين في الالتفاف لتشكل بنية صلبة، مما أدى إلى قفل المادتين معاً في شبكة مزدوجة الارتباط. ثم قام الفريق بتجميد الخليط وإزالة الماء من خلال عملية تسمى "التجفيف بالتجميد"، تاركين وراءهم إسفنجة صلبة مسامية. واختبروا عينات بكميات مختلفة من الميثيل سليلوز لمعرفة كيف يتغير الهيكل.
أظهرت النتائج تحسناً واضحاً في بنية المادة. فعند النظر إليها تحت المجهر، بدا أيروجيل الجيلاتين الأصلي مثل قرص العسل بجدران غير مستوية ومناطق شديدة الكثافة. وفي المقابل، أظهرت أيروجيلات المركب الجديدة بنية أكثر تنظيماً بكثير. فقد خلق الميثيل سليلوز شبكة ثانوية أدق داخل قنوات قرص العسل الكبيرة، مما عزز الهيكل بأكمله بشكل فعال. جعل هذا التغيير المادة أقوى بشكل ملحوظ؛ حيث استطاعت الأيروجيلات الجديدة تحمل حمل يصل إلى 1,250 ضعف وزنها دون أن تنكسر، وهو إنجاز لم يستطع أيروجيل الجيلاتين الأصلي مضاهاته. كما وجد الباحثون أن المادة الجديدة أكثر مسامية، حيث زادت كمية المساحات الفارغة بأكثر من 15 بالمائة مقارنة بنسخة الجيلاتين فقط. وهذه المسامية الإضافية تعني وجود مساحة أكبر لاختباء جزيئات العطر.
ومع ذلك، كان الاختبار الحقيقي هو مدى قدرة هذه الأيروجيلات على حبس وإطلاق الروائح. استخدم الباحثون جزيئين مختلفين من العطور لتمثيل نطاق الروائح: "إيثيل بوتيرات" (ethyl butyate)، وهو شديد التطاير ويتبخر بسرعة، و"2-فينيل إيثانول" (2-phenylethanol)، وهو أثقل ويتبخر ببطء أكثر. وقد أثبتت الأيروجيلات المركبة أنها فخاخ فائقة القدرة؛ فقد امتصت "إيثيل بوتيرات" بنسبة 52 بالمائة أكثر، و"2-فينيل إيثانول" بنسبة 62 بالمائة أكثر من أيروجيلات الجيلاتين القياسية. وعند تركها في بيئة مفتوحة، حافظت المادة الجديدة على الرائحة الأبطل تبخراً بشكل ملحوظ؛ فبعد 24 ساعة، كان أكثر من 90 بالمائة من "2-فينيل إيثانول" لا يزال محتجزاً داخل الأيروجيل، بينما فقدت مادة الجيلاتين الأصلية جزءاً أكبر بكثير من عطرها. ولاحظ الباحثون أن المسام المعقدة متعددة المستويات في الأيروجيل الجديد تعمل مثل المتاهة، مما يبطئ هروب جزيئات العطر ويسمح بإطلاقها تدريجياً.
كما أكدت الدراسة أن هذه المادة الجديدة متينة وقابلة لإعادة الاستخدام. فبعد استخدامها لامتصاص وإطلاق العطر سبع مرات متتالية، حافظ الأيروجيل على معظم قدرته على التقاط الروائح، مما أظهر أن بنيته الداخلية لم تنهار أو تتدهور مع الاستخدام. وخلص الباحثون إلى أنه من خلال الاستفادة من السلوك الحراري المتعاكس لمادتين طبيعيتين، نجحوا في ابتكار إسفنجة قوية وصديقة للبيئة تحل مشكلة عدم استقرار الهيكل في أيروجيلات الجيلاتين. توفر هذه الاستراتيجية البسيطة والفعالة مساراً واعداً لإنشاء مواد عالية الأداء يمكنها الحفاظ على نضارة الروبات واستقرارها لفترات أطول، مما قد يغير طريقة تقديم الروائح في المنتجات اليومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.