طور علماء من جامعتي رايس وهيوستن الأمريكية تقنية جديدة لتحويل السليلوز البكتيري إلى مادة فائقة القوة ومتعددة الاستخدامات، في خطوة قد تمهد لاستبدال البلاستيك التقليدي في العديد من الصناعات الحديثة.

ووفقا للدراسة المنشورة في مجلة Nature Communications، تعتمد التقنية الجديدة على توجيه البكتيريا أثناء نموها لإنتاج هياكل منظمة للغاية من السليلوز، مما يمنح المادة الناتجة قوة عالية وخصائص حرارية متطورة.

البكتيريا بدلا من البلاستيك النفطي

يسعى الباحثون إلى إيجاد بدائل أكثر استدامة للبلاستيك الصناعي، الذي يتحلل بمرور الوقت إلى جزيئات بلاستيكية دقيقة قد تطلق مواد ضارة مثل مادة BPA والفثالات وبعض المركبات المسرطنة.

وركز الفريق البحثي بقيادة الدكتور محمد مقصود رحمن، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران بجامعة هيوستن، على السليلوز البكتيري، الذي يُعد من أنقى وأكثر البوليمرات الحيوية الطبيعية وفرة على سطح الأرض.

تقنية جديدة لتقوية السليلوز البكتيري

قال الباحث الرئيسي المشارك م.أ.س.ر. سعدي، وهو طالب دكتوراه في علوم المواد والهندسة النانوية بجامعة رايس، إن الفريق طور مفاعلا حيويا دوّارا يتحكم في حركة البكتيريا المنتجة للسليلوز، مما يسمح بتوجيه نمو الألياف بشكل منظم.

وأوضح أن هذا التنظيم أدى إلى تحسين كبير في الخصائص الميكانيكية للمادة، لتصبح بقوة بعض المعادن والزجاج، مع احتفاظها بخصائص المرونة وقابلية الطي والشفافية، إضافة إلى كونها صديقة للبيئة.

قوة تفوق التوقعات

عادةً ما تنمو ألياف السليلوز البكتيري بشكل عشوائي، وهو ما يحد من متانتها. لكن الباحثين استخدموا تقنيات ديناميكا السوائل داخل المفاعل الحيوي للتحكم في اتجاه الألياف أثناء التكوين.

ونجح الفريق في إنتاج صفائح بلغت قوة الشد فيها نحو 436 ميغاباسكال، قبل أن يضيفوا صفائح نانوية من نيتريد البورون، ما رفع القوة إلى نحو 553 ميغاباسكال، إلى جانب تحسين الخصائص الحرارية للمادة.

كما أظهرت المادة الجديدة قدرة على تبديد الحرارة أسرع بثلاث مرات مقارنة بالعينات التقليدية.

إمكانية تخصيص المادة لتطبيقات مختلفة

أكد الباحثون أن التقنية الجديدة تسمح بإضافة مواد نانوية متعددة مباشرة أثناء عملية التصنيع، ما يتيح تعديل خصائص المادة وفقًا لطبيعة الاستخدام المطلوب.

وأشار سعدي إلى أن العملية تشبه "تدريب مجموعة من البكتيريا المنضبطة"، حيث يتم توجيهها للتحرك في مسار محدد بدلا من النمو العشوائي، وهو ما يسمح بإنتاج مادة تجمع بين القوة العالية والخصائص الوظيفية المتعددة.

استخدامات صناعية واسعة

يرى العلماء أن عملية التصنيع الجديدة قابلة للتوسع الصناعي ويمكن تنفيذها في خطوة واحدة، ما يجعلها مناسبة لمجالات عديدة.

وتشمل التطبيقات المحتملة:

مواد البناء والهياكل الصناعية

أنظمة إدارة الحرارة

مواد التغليف

المنسوجات

الإلكترونيات الخضراء

تقنيات تخزين الطاقة

خطوة نحو صناعة أكثر استدامة

قال الدكتور محمد مقصود رحمن إن هذا البحث يمثل نموذجًا للتعاون بين علوم المواد والأحياء والهندسة النانوية، مضيفًا أن الفريق يتطلع إلى أن تصبح صفائح السليلوز البكتيري القوية والصديقة للبيئة بديلا واسع الانتشار للبلاستيك التقليدي في مختلف الصناعات.

وأوضح أن هذه المواد الجديدة قد تسهم مستقبلا في تقليل الأضرار البيئية الناتجة عن التلوث البلاستيكي العالمي.