Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

يُعد الخشب مادة معقدة، فهو مركب طبيعي يتكون من ألياف طويلة وقوية من السليلوز، تتماسك معاً بواسطة مادة لزجة تشبه الغراء تُسمى اللغنين. ولجعل الخشب مفيداً في التطبيقات عالية التقنية، يحتاج العلماء غالباً إلى عزل ألياف السليلوز النقية هذه وتفكيكها إلى هياكل دقيقة تشبه الإبر تُعرف باسم بلورات السليلوز النانوية. هذه القضبان المجهرية قوية وخفيفة الوزن بشكل مذهل، مما يجعلها قيمة لتعزيز البلاستيك، أو إنشاء إلكترونيات مرنة، أو تحسين المواد الطبية. ومع ذلك، فإن استخراجها عملية صعبة؛ فتقليدياً، يستخدم الكيميائيون أحماضاً قاسية لإذابة "الغراء" وفصل الألياف، لكن هذه العملية خطيرة، وتنتج نفايات سامة، وغالباً ما تدمر الهيكل الدقيق للبلورات. وثمة بديل أكثر لطفاً يتضمن استخدام مادة كيميائية تسمى بيرسلفات الأمونيوم، والتي تعمل كمؤكسد خفيف لتفكيك المواد السليلوزية دون الحاجة إلى استخدام أحماض قوية أو إزالة المكونات الطبيعية الأخرى مسبقاً. غير أن التحدي كان يكمن في أن هذه الطريقة، رغم كونها أكثر أماناً، كانت تاريخياً غير فعالة، حيث كانت تنتج كميات أقل من البلورات وبأشكال وأحجام غير متسقة.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ للغابات هدفاً لحل مشكلة الكفاءة هذه من خلال تغيير طريقة إدخال المادة الكيميائية في التفاعل. فبدلاً من سكب الكمية كاملة من بيرسلفات الأمونيوم في لب الخشب في البداية، جربوا إضافة المادة على مرحلتين منفصلتين. واكتشفوا أن هذا التعديل البسيط في التوقيت والكمية قد غيّر بشكل جذري كيفية تفكك المادة الكيميائية وتفاعلها مع الخشب. ومن خلال الانتظار لمدة أربع ساعات بعد الإضافة الأولى قبل إدخال الجزء الثاني، نجحوا في خلق بيئة تفاعل أكثر فعالية بشكل ملحوظ. لم تؤدِ هذه الطريقة ثنائية الخطوات إلى تسريع العملية فحسب، بل غيرت أيضاً طبيعة البلورات التي يتم تكوينها، مما نتج عنه إنتاج كمية أكبر بكثير من المواد الأكثر تجانساً والأكثر ملاءمة لتقوية المواد الأخرى.

وجد الباحثون أنه عندما تُضاف المادة الكيميائية دفعة واحدة، فإنها تتحلل ببطء نسبي، وتميل الجزيئات التفاعلية التي تنتجها إلى الاستهلاك بسرعة أو التفاعل مع بعضها البعض قبل أن تتمكن من اختراق ألياف الخشب بالكامل. ولكن من خلال تقسيم الإضافة، حافظوا على تركيز أكثر اتساقاً وفعالية لهذه الجزيئات التفاعلية طوال العملية التي استغرقت عشر ساعات. وقد سمح ذلك للمادة الكيميائية بالعمل بكفاءة أكبر، وتفكيك الخشب إلى بلورات نانوية بمعدل أسرع بكثير. وكانت النتيجة زيادة هائلة في إجمالي المادة المستخلصة؛ ففي تجربتهم الأكثر نجاحاً، قفز إجمالي إنتاج البلورات النانوية من حوالي 42 بالمئة إلى ما يقرب من 58 بالمئة، مما يعني إنتاج كمية أكبر بكثير من المواد الصالحة للاستخدام من نفس الكمية من لب الخشب الأصلي.

وفضلاً عن إنتاج المزيد من البلورات، أنتجت الطريقة ثنائية الخطوات بلورات ذات خصائص فيزيائية فائقة. فقد قاس الباحثون طول وعرض البلورات النانوية الفردية ووجدوا أن العملية ذات المرحلتين أنتجت قضباناً أطول وأنحف بشكل ملحوظ من تلك المصنوعة بالطريقة التقليدية ذات الخطوة الواحدة. وهذا التغيير في الشكل أمر بالغ الأهمية، لأن القضبان الأطول والأكثر نحافة تمتلك "نسبة عرض إلى طول" (aspect ratio) أعلى، وهي مقياس لمدى رشاقة الجسم مقارنة بعرضه. وفي أفضل الحالات، زاد طول البلورات بنسبة تتجاوز 100 بالمئة، وتحسنت نسبة العرض إلى الطول بأكثر من 140 بالمئة. علاوة على ذلك، أصبحت أحجام البلورات أكثر اتساقاً؛ ففي الطريقة التقليدية، كانت البلورات تتباين بشدة في الطول والعرض، أما الطريقة ثنائية الخطوات فقد أنتجت دفعة كانت فيها كل بلورة تقريباً متطابقة في الحجم مع غيرها. وهذا التجانس ضروري للتطبيقات الصناعية، لأنه يضمن أن المادة النهائية ستتصرف بشكل يمكن التنبؤ به.

كما أظهرت الخصائص الكيميائية لهذه البلورات تحسينات واعدة؛ حيث احتفظت البلورات بمستوى عالٍ من الاستقرار الحراري، مما يعني قدرتها على تحمل درجات حرارة أعلى قبل التحلل، وهو أمر حيوي إذا ما خُلطت في أنواع البلاستيك التي تُسخن أثناء التصنيع. وبينما كانت البلورات الناتجة عن الطريقة ثنائية الخطوات تمتلك درجة أقل قليلاً من النظام الداخلي، أو "التبلور"، مقارنة بالطريقة التقليدية، إلا أن هذا لم يؤثر على أدائها، بل قد يكون ساعد في الواقع. فعندما خلط الباحثون هذه البلورات الجديدة في فيلم من كحول البولي فينيل (polyvinyl alcohol)، وهو نوع شائع من البلاستيك، كانت النتائج مذهلة؛ إذ أصبح الفيلم أقوى وأكثر صلابة بشكل ملحوظ. والأهم من ذلك، أصبح الفيلم أكثر متانة، مما يعني قدرته على امتصاص المزيد من الطاقة قبل الكسر. وقد أدت أفضل البلورات أداءً، وهي تلك المصنوعة بالطريقة ثنائية الخطوات، إلى زيادة قوة الفيلم البلاستيكي بأكثر من 70 بالمئة ومتانته بنحو 80 بالمئة، وكل ذلك رغم إضافتها بتركيز منخفض جداً لا يتجاوز 1%.

تثبت هذه الدراسة أن الطريقة التي تُضاف بها المادة الكيميائية إلى التفاعل قد تكون بنفس أهمية المادة الكيميائية نفسها. فمن خلال مجرد تقسيم إضافة بيرسلفات الأمونيوم إلى دفعتين، تمكن الباحثون من دفع لب الخشب لإنتاج كمية أكبر، وبشكل وحجم وقوة أفضل. وتشير النتائج إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تجعل إنتاج بلورات السليلوز النانوية عالية الجودة أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة، مما يفتح الباب أمام استخدام أوسع لهذه المواد المستدامة القائمة على الخشب في كل شيء، بدءاً من التغليف الأكثر قوة وصولاً إلى الأجهزة الطبية المتقدمة. ويؤكد هذا العمل أن التعديل الدقيق لتوقيت التفاعل الكيميائي يمكن أن يفتح آفاقاً لتحسينات كبيرة في جودة وكمية المنتج النهائي.