Green synthesis of titanium dioxide nanoparticles using plant extracts of Enicostemma littorale and Evaluation of Photocatalytic Activity

تخيل عالم الجسيمات المتناهية الصغر، تلك الصغيرة جداً لدرجة أنك تحتاج إلى مجهر فائق القوة لرؤيتها. هذه هي النانو جسيمات، وهي تشبه قطع "الليجو" النهائية في عالم المواد. يحبها العلماء لأنها يمكن استخدامها لتنظيف التلوث، أو صنع أدوية أفضل، أو حتى لتشغيل الخلايا الشمسية. أحد أشهر هذه القطع الصغيرة هو ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂). فكر فيه كإسفنجة فائقة الشحن، عندما تضربها أشعة الشمس، يمكنها تفكيك المواد الكيميائية الضارة وتحويلها إلى مواد غير ضارة. عادةً، يتضمن صنع هذه الجسيمات خلط مواد كيميائية قاسية وسامة في المختبر، وهو أمر يشبه محاولة خبز كعكة باستخدام البنزين والحمض—الأمر ينجح، لكنه فوضوي وخطير على الكوكب.

ولكن ماذا لو استطعنا صنع هذه القطع الصغيرة باستخدام مطبخ الطبيعة الخاص؟ هنا يأتي دور "التخليق الأخضر". فبدلاً من المواد الكيميائية السامة، يستخدم العلماء مستخلصات النباتات، التي تعمل كطهاة طبيعيين لطيفين. النباتات مليئة بمركبات خاصة يمكنها الإمساك بذرات المعادن وتشكيلها في نانو جسيمات دون أي خطر. السؤال الكبير الذي يطرحه الباحثون هو: هل يمكننا استخدام نبات معين لصنع هذه الجسيمات فائقة التنظيف بفعالية، وهل ستعمل حقاً في تنظيف المياه الملوثة؟ هذا البحث يتعمق في هذه الفكرة تحديداً، حيث يختبر ما إذا كان بإمكان هذا النبات المحدد أن يكون بطل القصة.

---

قوة النبات: وصفة خضراء للمنظفات الصغيرة

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين معرفة ما إذا كان بإمكانهم "طهي" نانو جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم باستخدام نبات يسمى Enicostemann littorale. يمكنك التفكير في هذا النبات كمصنع طبيعي. لم يستخدم الفريق أي مواد كيميائية مخيفة؛ بدلاً من ذلك، أخذوا أوراقاً طازجة من النبات، وغسلوها، وجففوها، ثم طحنوها إلى مسحوق. خلطوا هذا المسحوق بالماء لإنشاء "شاي" أو مستخلص. هذا المستخلص هو "الخلطة السرية"—فهو يحتوي على المكونات الطبيعية اللازمة لتحويل مادة التيتانيوم الكيميائية إلى نانو جسيمات.

كانت العملية تشبه وصفة طبخ بسيطة. أولاً، خلطوا مستخلص النبات مع محلول التيتانيوم. بعد ذلك، أضافوا القليل من هيدروكسيد الصوديوم (وهو مادة كيميائية شائعة تشبه مواد المطبخ تُستخدم لضبط الرقم الهيدروجيني pH) وحركوا الخليط. تحول الخليط إلى اللون الأبيض، مما يشير إلى أن شيئاً جديداً يتشكل. تركوها لترتاح، ثم داروها في جهاز الطرد المركزي (مثل عصارة السلطة عالية السرعة) لفصل المواد الصلبة، ثم خبزوا البلورات الناتجة في فرن. أولاً عند 200 درجة مئوية لمدة ساعة، ثم عند درجة حرارة أعلى تصل إلى 500 درجة مئوية لمدة ست ساعات. والنتيجة؟ مسحوق ناعم شديد البياض من نانو جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم، صُنع بالكامل بمساعدة النبات.

كيف تبدو هذه الجسيمات الصغيرة؟

بمجرد أن أصبح المسحوق جاهزاً، كان على الفريق التحقق مما إذا كانوا قد صنعوا بالفعل ما أرادوه. استخدموا مجموعة من الأدوات عالية التقنية لإلقاء نظرة فاحصة، تماماً مثل استخدام كاميرات مختلفة لتفحص سيارة جديدة.

أولاً، استخدموا آلة تسمى XRD للتحقق من البنية البلورية. إنها تشبه التحقق من المخطط الهندسي لمبنى للتأكد من أن الطوب مرصوص بالنمط الصحيح. أظهرت النتائج أن الجسيمات لها بنية محددة ومنظمة تُعرف باسم طور "الأناتاز" (anatase)، وهو شكل جيد جداً لتنظيف التلوث. طابق النمط قاعدة بيانات قياسية تماماً، مما أكد أن لديهم المادة الصحيحة.

بعد ذلك، نظروا إلى الجسيمات تحت مجهر قوي يسمى FE-SEM. هذا يشبه التكبير باستخدام عدسة مكبرة فائقة. كشفت الصور أن النانو جسيمات كانت مستديرة في الغالب، مثل كرات صغيرة جداً. تراوح حجمها بين 120 و140 نانومتر. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن شعرة الإنسان يبلغ عرضها حوالي 80,000 نانومتر، لذا فإن هذه الجسيمات صغيرة للغاية. كما تحقق الفريق مما كانت تتكون منه هذه الكرات باستخدام أداة تسمى EDAX. ووجدوا أن الجسيمات تتكون أساساً من الأكسجين (53.48%) والتيتانيوم (21.86%)، مع وجود بعض الكربون والصوديوم المختلطين، والذي جاء غالباً من مستخلص النبات الذي ساعد في بنائها.

استخدموا أيضاً تقنية تسمى FT-IR، وهي تشبه الاستماع إلى "غناء" الجسيمات. فالروابط الكيميائية المختلفة تهتز بترددات مختلفة، مما يخلق "أغنية" أو طيفاً فريداً. سمع الفريق النغمات المحددة لروابط الأكسجين-هيدروجين ومجموعات أخرى، مما أكد أن مستخلص النبات قد التصق بنجاح بسطح الجسيمات، ليعمل كمثبت.

مواجهة ضوء الشمس: تنظيف الأصباغ

الاختبار الحقيقي، مع ذلك، كان لمعرفة ما إذا كانت هذه الجسيمات المصنوعة من النبات يمكنها بالفعل تنظيف الفوضى. أعد الباحثون "مواجهة ضوء الشمس" باستخدام ثلاثة أصباغ ملونة مختلفة: ميثيلين بلو (Methylene Blue)، ورودامين ب (Rhodamine B)، وإيوسين يلو (Eosin Yellow). تخيل هذه الأصباغ كأنواع مختلفة من بقع المياه المتسخة.

خلطوا هذه الأصباغ مع النانو جسيمات الجديدة وتركوها لترتاح في الظلام لمدة 30 دقيقة. كان هذا يشبه ترك النانو جسيمات لتعتاد على الوضع وتلتصق بجزيئات الصبغة قبل بدء العمل. ثم قاموا بتشغيل الأضواء—وتحديداً، عرضوا المخاليط لأشعة الشمس لمدة 120 دقيقة.

عندما تصطدم أشعة الشمس بجسيمات ثاني أكسيد التيتيم هذه، فالأمر يشبه ضغط مفتاح التشغيل. تصبح الجسيمات متحمسة وتبدأ في إطلاق دفعات طاقة صغيرة تهاجم جزيئات الصبغة، وتفككها إلى أجزاء غير ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون والماء. إنه يشبه امتلاك سرب من شخصيات "باك مان" (Pac-Man) الصغيرة وغير المرئية التي تلتهم التلوث.

كانت النتائج واعدة. قاس الفريق مقدار اختفاء اللون بمرور الوقت.

• رودامين ب (Rhodamine B): كان هذا الصبغ هو الضحية الأكبر، حيث قامت النانو جسيمات بتفكيك 80% منه.
• ميثيلين بلو (Methylene Blue): شهد هذا الصبغ انخفاضاً بنسبة 70% في اللون.
• إيوسين يلو (Eosin Yellow): كان هذا الصبغ أصعب قليلاً في الاختراق، حيث بلغت نسبة التحلل فيه 20% فقط.

حسب الفريق هذه الأرقام عن طريق قياس مقدار الضوء الذي امتصه الماء قبل وبعد معالجة ضوء الشمس. انخفاض اللون يعني أن الصبغة يتم تدميرها.

الحكم النهائي

إذاً، ماذا وجدت هذه الدراسة حقاً؟ لقد أثبت الباحثون أنه يمكنهم بنجاح صنع نانو جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم باستخدام مستخلص نبات Enicostemma littorale. وأكدوا أن هذه الجسيمات تمتلك الشكل البلوري الصحيح (الأناتاز) والحجم المناسب (120-140 نانومتر) لتكون مفيدة. والأهم من ذلك، تشير الدراسة إلى أن هذه الجسيمات المصنوعة "خضرياً" فعالة في تفكيك الأصباغ العضوية عند تعرضها لضوء الشمس، حيث أظهر "رودامين ب" أعلى معدل نجاح بنسبة تحلل بلغت 80%.

لا تدعي الورقة البحثية أن هذا علاج سحري لكل أنواع التلوث، ولا تقول إن العملية مثالية لكل نوع من الأصباغ (بما أن "إيوسين يلو" لم يتحلل بنفس القدر). ومع ذلك، فهي تشير إلى أن استخدام هذا النبات المحدد هو طريقة قابلة للتطبيق وصديقة للبيئة لصنع هذه الجسيمات المنظفة. إنها تثبت أن الطبيعة يمكن أن توفر الأدوات للمساعدة في تنظيف مياهنا، مما يقدم بديلاً أكثر أماناً وأقل تكلفة للطرق الكيميائية القاسية في الماضي. وتخلص الدراسة إلى أن هذا النهج الأخضر يحمل إمكانات كبيرة لتنظيف البيئة، لا سيما لتنقية المياه، من خلال تحويل ضوء الشمس وقوة النبات إلى سلاح ضد التلوث.