المادة الثورية التي تحتاج لتعرف عنها…

كان الغرافين هو المادة الأروع حتى وقت قريب، لكن ظهرت مادة رائعة جديدة اسمها السيللوز النانوي. هذه المادة هي الأهمية بمكان لتحدث ثورة حولنا من البطاريات القابلة للثني والشاشات المرنة حتى بدلات أشبه ببدلات الأبطال الخارقين.

ما هو السيللوز النانوي nanocellulose ؟

السيللوز النانوي هو أحد تراكيب السيللوز الطبيعي على المستوى النانوي، يعد السيللوز أحد أكثر المواد وفرة على الكوكب. فهو المكون الرئيسي لجدران الخلايا النباتية موفراً الدعم الهيكلي لكل النباتات على كوكب الأرض.

من لحاء الشجر إلى ساق الزهرة، إنها المادة التي تنتج حين خلطها مع الماء التأثير المسمى بالانتباج turgor، مما يؤمن الصلابة والدعم للنباتات كما تفعل عظام الثدييات.

السيللوز بحد ذاته هو ببساطة عبارة عن تركيب من جزيئات الغلوكوز الموصولة ضمن سلاسل طويلة في ترتيب معين وهذا ما يميزها عن النشاء وغيرها من المواد المشتقة من الغلوكوز.

يكون في حالته الطبيعية داخل النباتات وباقي الكائنات الحية مفيداً لصنع بعض المواد كالورق. باعتباره مادة غذائية نسميها الألياف، لا يمكننا هضمها دون مساعدة في حين  أن الأبقار الماعز والأحصنة تستطيع ذلك، وهذا السبب في أنها تتغذى على العشب.

على كل حال، حين تقلص الغلوكوز إلى مستوى نانوي وتطبق ترتيباً معيناً عليها، تبدأ الأمور تأخذ منحاً جديداً ممتعاَ.

وترى أنها تشبه قليلاً المركبات البلورية الأخرى، كالألماس القاسي جداً المصنوع من مركبات كربون نقية، وتحمل البنية خصائصاً مختلفة جذرياً عن خصائص مواد غير معروفة أخرى. 

يأخذ السيللوز النانوي (أو السيللوز النانوي البلوري باسمه الكامل)  مكانه كأقوى أداة عرفها الإنسان عبر تركيب السيللوز ضمن بوليميرات طويلة أو ربطه داخل مركب بلوري. 

بإمكانه نقل الكهرباء أيضاً كما أنه خفيف للغاية، وهي خصائص تجعله مادة فائقة بإمكانات هائلة لتغير العالم.

كيف تتم صناعة السيللوز النانوي

يكمن جمال السيللوز النانوي، قبل أن نصل إلى ما نستطيع أن نفعل به، في كيفية إنتاجه. 

 كان يتم إنتاج السيللوز النانوي حتى وقت قريب عن طريق معالجة عجينة الخشب; عملية مكلفة حين يأتي الأمر إلى الكميات الكبيرة.  عرفت الآن تقنية جديدة تعتمد على الطحالب يمكنها إنتاج السيللوز النانوي ببساطة من أشعة الشمس وثنائي أكسيد الكربون.

تقوم الطحالب الخضراء المزرقة المعدلة جينياً بإنتاج السيللوز النانوي كجزء من عملية استقلابها، والتي تأخذ ثنائي أكسيد الكربون خلال عملية التركيب الضوئي. لذا، لا يكون إنتاج السيللوز النانوي رخيصاً ولا يستهلك طاقة عبر الإعتماد على طاقة الشمس فقط، لكن بإمكانه أيضاً أن يأخذ ثنائي أكسيد الكربون من الهواء.

استعمالات السيللوز النانوي

بما أننا على وشك أن نصبح قادرين على إنتاج السيللوز النانوي بكفاءة، ودون تكلفة وبكميات مفيدة، قد حان الوقت للبدء بالتفكير حول ما يمكننا أن نفعل حقاً بمادة قوية وخفيفة للغاية.

شاشات مرنة للغاية

 ظهرت فكرة استخدام الشاشات المرنة في الهواتف والأجهزة النقالة منذ زمن بعيد. لسوء الحظ، تعرضت سامسونج ديسبلاي Samsung Display، وهي إحدى الشركات الرائدة في هذا المجال، لعدد من العقبات التي ستؤخرها، مما يعني أنه ما زال أمامنا بعض الوقت قبل أن نرى أجهزة بإمكاننا شراءها حقاً.

وبما أن السيللوز النانوي خفيف وقوي، وأهم من ذلك شفاف، يمكنه أن يمثل المادة الأمثل لاستبدال الزجاج والبلاستيك في شاشات العرض. يمكن استخدام السيللوز النانوي في صنع بطانة مرنة وقوية للشاشات القابلة للثني، مما يتيح المجال لصناعة كل أنواع الشاشات.

وهذا هو السبب الكامن وراء سعي شركة بايونير للإلكترونيات Pioneer Electronics  راءه حالياً، صانعة أنحف وأكثر الشاشات المرونة التي تمت صناعتها. كما أنها قابلة للتحلل، مما يعني أنه حالما ترقي هاتفك النقال سيون جزء منه على الأقل قابلاً لإعادة التدوير.

بطاريات قابلة للثني  Bendable batteries

من الجيد الحصول على شاشات قابلة للثني، لكن المكونات الأخرى لهواتفنا، أجهزتنا اللوحية وحواسيبنا المحمولة ليست مرنة على الإطلاق. بإمكان السيللوز النانوي أن يساعد في هذا المجال أيضاً.

توجد في كل البطاريات حواجز تحكم تدفق الكهرباء في الخلية. وتلعب هذه الفواصل دوراً بنائياً ووظيفياً هاماً في البطاريات، مما يعني أنه لا يمكننا أن نزيلها ببساطة. على كل حال، هي صلبة وغير مرنة في شكلها الحالي.

ما زلت طبعاً بحاجة غلاف قوي حول الخلية، لكن أحد موادنا الفائقة ستتدبر الأمر-لم نكن نريد الغرافين لنشعر بأننا قد تركنا ثورة الإلكترونيات، هل سنشعر الآن؟

درع خفيف وقوي بشكل مذهل

حين تفكر في الدروع، قد تتبادر علامة كيفلار Kevlar إلى ذهنك. هي المادة التي تبنى فيها معظم الدروع الغير صلبة، لأن ألياف كيفلار متماسكة في شبكة قوية وكثيفة جداً.

وبما أنه يمكن صناعة السيللوز النانوي من ألياف دقيقة بشكل لا يصدق، وخلطها في مركب بلوري كثيف في شكل مشابه لكيفلر، يمكن لها أن تمتلك نسبة قوة على الوزن أعلى بـ 8 مرات من الفولاذ.

وهذا ما يجعله مادة مثالية لصناعة دروع خفيفة لكن قوية للغاية، وتمتلك القدرة على أن تكون مرنة وفي نفس الوقت القدرة على تأمين حماية جيدة.

إن أردت بدلة كاملة مضادة للرصاص تحولك إلى بطل خارق، السيللوز النانوي هو ما تريد استخدامه لصناعتها. في الواقع، كان للرجل الحديدي أن يسمى رجل السيللوز النانوي في بضعة سنوات، على الرغم أنها لا تملك نفس الوقع عندما تقولها.

سيارات أسرع وأخف وأكثر كفاءة

كلما كانت سيارتك أخف امتلكت القدرة على الأداء بشكل أفضل. ألياف الكربون هي المادة التي اختيرت للسيارات عالية الأداء، لكن يمكن للسيللوز النانوي أن يكون المادة التي ستغير سياراتنا العادية.

بما أن السيللوز النانوي قوي وخفيف كألياف الكربون، بالإضافة إلى أن تكاليف إنتاجه قليلة مع طرائق التصنيع الجديدة المعتمدة على الطحالب، يمكن أن يكون المفتاح لصناعة سيارات عائلية أخف. هذا ما قد يعني استهلاكاً أقل في الوقود وسيارات أفضل في الأداء، وكلاهما جيد للبيئة ولمحفظتك. في الواقع، يقال أن فورد تبحث في الأمر مسبقاً ، ما يعني أن سيارة الفييستا Fiesta التالية قد تكون أخف وبالتالي أسرع.

فلاتر فائقة ومواد جيل هوائي  مذهلة

بينما يزداد التلوث أكثر فأكثر، تزداد أهمية إيجاد طرق لتصفية القمامة من منابع المياه لدينا. يمكن أن يساعد السيللوز النانوي هنا أيضاً، بما أنه يمكن استخدام المركب البلوري منه لصناعة فلاتر جيدة إلى حد كبير، وبتكلفة قليلة.

ثم يمكن استخدامها لأغراض متعددة، من تنقية المياه والدم، أو حتى كفلاتر كيميائية لأشياء كالسجائر. كما يمكن استخدام السيللوز النانوي في تقنيات تحلية المياه لإنتاج مياه قابلة للشرب من المياه المالحة بسرعة وبسعر بخس.

إن لم يكن ذلك كافياً، يمكن أن يتم تصنيع السيللوز النانوي على شكل جيل هوائي aerogel بسبب قوته، أو رغوة، قادرة على تحمل أكثر من 10000 مرة ضعف وزنها، مع احتفاظها بالقدرة على الامتصاص بشكل كبير. يمكن استخدامها لاحقاً كإسفنج خارق، لاستخدامه في مجالات عديدة من تضميد الجروح إلى آليات نقل الوقود السائل والمياه. كما يمكن استخدامه لامتصاص ما ينسكب من مركب كيميائي للتخلص الآمن في حالات الطوارئ.

يكمن جمال السيللوز النانوي بخصائصه المذهلة العديدة، في أنه رخيص في الإنتاج، يحافظ على قوته وبنيته حين يكون رطباً، وقابل للتحلل حين ننتهي منه، مما يجعله صديقاً للبيئة.

بهذه الإمكانات الرائعة، التي ما زلنا نتعرف عليها اليوم، يجعل ذلك من السيللوز النانوي مادة خارقة بالفعل.

من TechRadar 

المزيد عن النانو السيللوز في ويكيبيديا