ابتكار مادة فائقة القوة من السليلوز البكتيري قد تحل محل البلاستيك

ابتكر فريق بحثي من جامعتي رايس وهيوستن أسلوباً جديداً لتحويل السليلوز المنتج من البكتيريا إلى مادة فائقة القوة ومتعددة الاستخدامات، قد تتيح استبدال البلاستيك في مجالات عدة مثل التعبئة والتغليف والإلكترونيات. نشرت نتائج الدراسة في مجلة Nature Communications، حيث وصف الباحثون عملية تصنيع قابلة للتوسع توجه حركة البكتيريا لبناء هياكل سليلوزية منظمة بقوة ومتانة عالية وأداء حراري متميز.

تُعد النفايات البلاستيكية من المشكلات البيئية الكبرى، إذ تتحلل البلاستيكيات الصناعية تدريجياً إلى جزيئات دقيقة تُطلق مواد ضارة مثل بيسفينول أ (BPA) والفثالات والمواد المسرطنة. ركز الفريق بقيادة محمد مقصود رحمن، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة هيوستن وأستاذ مساعد مشارك في علوم المواد والهندسة النانوية بجامعة رايس، على السليلوز البكتيري باعتباره من أنقى وأكثر البوليمرات الحيوية الطبيعية وفرة على الأرض.

تحكم في حركة البكتيريا لتعزيز خصائص المادة

نمو ألياف السليلوز البكتيري يتم عادة بشكل عشوائي، ما يحد من قوتها وأدائها. استخدم الباحثون ديناميكيات السوائل داخل مفاعل حيوي دوار مصمم خصيصاً لتوجيه حركة البكتيريا المنتجة للسليلوز، مما أدى إلى محاذاة النانوفيبرلات السليلوزية أثناء النمو وإنتاج صفائح تصل قوة شدها إلى 436 ميغاباسكال.

أضاف الفريق أثناء التصنيع صفائح نيتريد البورون النانوية، فنتجت مادة هجينة ذات قوة أعلى تبلغ حوالي 553 ميغاباسكال، مع تحسينات في الخصائص الحرارية حيث تبديد الحرارة كان أسرع بثلاث مرات مقارنة بالعينات التقليدية.

منصة قابلة للتوسع لتصنيع مواد حيوية متعددة الوظائف

شرح الباحث الأول م.أ.س.ر. سعدي، طالب دكتوراه في علوم المواد والهندسة النانوية بجامعة رايس، أن الأسلوب يشبه تدريب مجموعة بكتيرية منظمة تتحرك في اتجاه محدد بدلاً من الحركة العشوائية، ما يسمح بمحاذاة دقيقة لإنتاج السليلوز. أضاف أن هذه التقنية الحيوية تتيح دمج إضافات نانوية متنوعة مباشرة ضمن السليلوز، ما يمكن من تخصيص خصائص المادة لتطبيقات محددة.

تتسم العملية بسهولة التوسع والتنفيذ بخطوة واحدة، ما يجعلها مناسبة لمجالات صناعية متعددة تشمل المواد الهيكلية وأنظمة إدارة الحرارة والتغليف والمنسوجات والإلكترونيات الخضراء وتخزين الطاقة.

أشار رحمن إلى أن هذا البحث يمثل نموذجاً متميزاً للتعاون بين علوم المواد والبيولوجيا والهندسة النانوية، متوقعاً أن تصبح الصفائح السليلوزية البكتيرية القوية والمتعددة الوظائف والصديقة للبيئة بديلاً شائعاً للبلاستيك، مما يساهم في تقليل الأضرار البيئية.

شارك في البحث شيم باختا من جامعة رايس في الجوانب البيولوجية، كما تعاون معه بوليكل أجاين، ماثيو بينيت، وماتيو باسكوالي.

تم دعم الدراسة من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (2234567)، وصندوق الغابات والمجتمعات الأمريكية (23-JV−11111129-042)، ومؤسسة ويلش (C-1668). يتحمل المؤلفون وحدهم مسؤولية المحتوى ولا يعكس بالضرورة آراء الجهات الممولة.

للبقاء على اطلاع بأحدث الاكتشافات، يمكن الاشتراك في نشرة SciTechDaily ومتابعتنا عبر جوجل وجوجل نيوز.