Preparation and Properties Research of Cellulose Nanocrystals from Flax Straw

غالبًا ما تخفي الطبيعة أكثر موادها فائدة في وضح النهار، مختبئة في الحقول حيث تُحصد المحاصيل. في الأراضي الزراعية الشاسعة في شمال غرب الصين، تُزرع الكتان بشكل أساسي من أجل بذوره، التي تُعصر لاستخراج الزيت. وبمجرد حصاد البذور، غالبًا ما تُترك السيقان المتبقية — المعروفة باسم القش — لتُحرق، وهي ممارسة تهدر مصدرًا غنيًا بالألياف الطبيعية وتطلق الدخان في الهواء. هذا القش ليس مجرد نفايات؛ بل هو مستودع للسليلوز، وهي المادة الليفية القوية التي تمنح النباتات هيكلها. يتكون السليلوز من سلاسل طويلة من جزيئات السكر التي تترابط بإحكام في بعض المناطق وتترتب بشكل فضفاض في مناطق أخرى. لطال many العلماء البحث عن طريقة لتفكيك هذه الألياف الطبيعية إلى أصغر وحداتها البنائية وأقواها، والمعروفة باسم البلورات النانوية. هذه القضبان الصغيرة قوية للغاية، وخفيفة الوزن، ومتعددة الاستخدامات، وتحمل وعودًا لكل شيء بدءًا من تقوية البلاستيك وصولًا إلى ابتكار مواد طبية جديدة. ويكمكن التحدي في استخراجها دون تدمير نظامها الطبيعي أو استخدام عمليات مكلفة للغاية أو ضارة بالبيئة.

وضع فريق من الباحثين في جامعة منغوليا الداخلية للتكنولوجيا هدفًا يتمثل في معرفة ما إذا كان يمكن تحويل قش الكتان إلى هذه البلورات النانوية القيمة باستخدام طريقة توازن بين الكفاءة والاهتمام بالبيئة. بدأوا بأخذ القش الخام وإخضاعه لسلسلة من المعالجات المصممة لإزالة الأجزاء غير الليفية، مثل اللجنين والهيميسليلوز، والتي تعمل مثل الغراء الذي يربط الألياف معًا. أولاً، نقعوا القش المقطع في محلول قلوي ساخن لتفكيك هذه الروابط، متبوعًا بخطوة تبييض لإزالة أي ألوان وشوائب متبقية. تركتهم هذه العملية مع ألياف سليلوز منقاة، والتي كان عليهم بعد ذلك تفكيكها إلى مقياس النانو. وللقيام بذلك، لجأوا إلى مزيج من الحمض والصوت. خلطوا الألياف مع أنواع مختلفة من الأحماض — حمض الكبريتيك، وحمض الفوسفوريك، وحمض الهيدروكلوريك — وطبقوا موجات صوتية عالية الكثافة. تخلق هذه الموجات الصوتية فقاعات صغيرة في السائل تنمو وتنهار بقوة هائلة، مما يساعد على قص الألياف الطويلة إلى قضبان قصيرة ومنتظمة.

اختبر الباحثون عدة متغيرات لهذه العملية، بتغيير نوع الحمض المستخدم ومدة ترك الخليط يتفاعل. أرادوا معرفة كيف تؤثر هذه الاختيارات على شكل المنتج النهائي وقوته وقدرته على البقاء مختلطًا في الماء. بعد المعالجة، فحصوا النتائج تحت مجاهر قوية. كشفت الصور أن العملية كانت ناجحة: فقد تم تحويل الألياف الطويلة والمتشابكة إلى جزيئات متميزة تشبه القضبان. بلغت قياسات هذه البلورات النانوية ما بين 200 و300 نانومتر في الطول وحوالي 20 إلى 27 نانومتر في العرض. ولوضع هذا المقياس في منظور، فإن عرض شعرة الإنسان يبلغ حوالي 50,000 نانومتر، مما يعني أن هذه الجزيئات أرق بآلاف المرات من خصلة شعر واحدة. وجد الفريق أن طول وعرض القضبان يعتمدان على نوع الحمض المستخدم ومدة المعالجة. فعلى سبيل المثال، مالت فترات المعالجة الأطول إلى إنتاج قضبان أقصر قليلاً، حيث يكون للحمض وقت أطول لقص الألياف عند نقاط ضعفها.

وبعيدًا عن مجرد النظر في الشكل، حلل الفريق البنية الداخلية والتركيب الكيميائي للمادة الجديدة. وجدوا أن المعالجة نجحت في إزالة مكونات النبات غير المرغوب فيها مع الحفاظ على البنية البلورية الأساسية للسليلوز. في الواقع، تحسنت نقاء ونظام المادة بشكل ملحوظ مع استمرار العملية. كان للقش غير المعالج درجة بلورية، أو نظام هيكلي، تبلغ حوالي 57 بالمائة. وبعد خطوات التنظيف الأولية، ارتفعت هذه النسبة إلى 78 بالمائة. وكانت البلورات النانوية النهائية أكثر نظامًا، حيث وصلت مستويات البلورية فيها إلى ما بين 81 و86 بالمائة. هذا المستوى العالي من النظام أمر بالغ الأهمية لأن ما يميز هذه المواد هو قوتها واستقرارها الاستثنائيين. كما تحقق الباحثون من مدى صمود المادة تحت الحرارة. ووجدوا أن الاستقرار الحراري يختلف اعتمادًا على الحمض المستخدم. أظهرت إحدى العينات، التي عولجت بحمض الكبريتيك لمدة 30 دقيقة، أعلى مقاومة للحرارة، حيث بدأت في التحلل فقط عندما تقترب درجات الحرارة من 300 درجة مئوية. وهذا يمثل تحسنًا كبيرًا عن القش الخام، الذي يبدأ في التحلل عند درجات حرارة أقل بكثير.

بحثت الدراسة أيضًا في مدى قدرة هذه القضبان الصغيرة على البقاء معلقة في سائل، وهو عامل رئيسي إذا أريد استخدامها في التصنيع. يحمل سطح القضبان شحنة كهربائية تساعدها على التنافر مع بعضها البعض والبقاء متباعدة، مما يمنعها من التكتل معًا. قاس الباحثون هذه الشحنة ووجدوا أن العينات المعالجة بحمض الكبريتيك تحمل شحنة سالبة قوية، مما حافظ على استقرارها في المحلول لفترات طويلة. وفي المقابل، أظهرت العينات المعالجة بأحماض أخرى أو لفترات زمنية أقصر سلوكيات مختلفة، حيث بدأ بعضها في الاستقرار خارج السائل بعد يوم واحد. وخلص الفريق إلى أنه بينما نجحت العملية بشكل جيد، فإن الخصائص النهائية للمنتج لم تكن محددة بعامل واحد مثل البلورية وحدها. بدلاً من ذلك، كان الشكل والحجم والاستقرار نتيجة تفاعل معقد بين نوع الحمض، ومدة المعالجة، والكيمياء السطحية الناتجة عن العملية.

يوضح هذا العمل أن قش الكتان، وهو مورد غالبًا ما يتم التخلص منه، يمكن تحويله بفعالية إلى مواد نانوية عالية القيمة. أظهر الباحثون أنه من خلال التحكم الدقيق في الظروف الكيميائية والفيزيائية، من الممكن إنتاج بلورات نانوية تحتفظ بالقوة الطبيعية للنبات مع اكتساب خصائص وظيفية جديدة. وبينما لم تختبر الدراسة هذه المواد في منتجات نهائية مثل قطع غيار السيارات أو الأجهزة الطبية، إلا أنها قدمت خارطة طريق واضحة لكيفية صنعها من نفايات زراعية وفيرة. وتشير النتائج إلى أنه مع المزيد من التحسين، يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في تقليل النفايات، وخفض تكلفة المواد الخام للصناعات المتقدمة، وتقديم بديل مستدام للمواد الاصطناعية. إن المسار من ساق مهمل إلى لبنة بناء عالية التقنية أصبح الآن أكثر وضوحًا، مما يقدم لمحة عن مستقبل تصبح فيه المنتجات الثانوية الزراعية هي الأساس للمواد من الجيل التالي.