تشكُل جسيمات شجرية فريدة عن طريق اضطراب السوائل

أوضحت دراسة جديدة من جامعة كارولينا الشمالية أنه يمكن الحصول على مواد فريدة ذات خصائص مميزة (جسيمات شجرية)، مشابهة لتلك الموجودة في أقدام الوزغ (البرص)، والتي تتميز بالقدرة على الالتصاق بأي سطح، وذلك باستخدام اضطراب السوائل في إنتاج جسيمات بوليمرية دقيقة لينة، ذات تفرعات هرمية hierarchical تقاس بوحدات المايكرو والنانو.

تشير الدراسة المنشورة في صحيفة Nature Materials إلى إمكانية حدوث تطور في مجال المواد الهلامية، والمعاجين، والأغذية، والأقمشة غير المنسوجة nonwovens، ومواد الكسوة coatings من بين التركيبات الأخرى.

يمكن أن تنشأ جسيمات شجرية dendritic لينة، لديها قدرة التصاق وخواص بنائية فريدة، من البوليمرات المترسبة في محاليل معينة تحت ظروف خاصة، كما أوضح مؤلفو الورقة البحثية أورلين فيليف Orlin Velev وس. فرانك S. Frank ودوريس كولبرسون Doris Culberson، وهم أساتذة مرموقون في الهندسة الكيميائية والحيوية في جامعة كارولينا الشمالية.

يقول فيليف: «نستخدم تقنية التصنيع النانوية nanomanufacturing للسوائل؛ لتحويل معظم البوليمرات إلى جسيمات متفرعة، وذلك بإذابة البوليمر، ثم مزج المحلول الناتج سريعًا مع سائل آخر. يولد التدفق المضطرب turbulent flow أثناء المزج السريع جسيمات متفرعة، منتظمة في شكل هرمي».



تُشكل التفرعات الأدق المحيطة بالجسيمات إكليلًا من الألياف النانوية، والتي يتوزع تلاصقها عن طريق قوى جذب الجزيئات المعروفة بقوى فان دير فالس van der Waals forces. هذه المادة الجديدة فريدة من نوعها، ليس فقط في تركيبها وإنما في كيفية تكونها كذلك.

يضيف فيليف: «من المعروف أن التدفق المضطرب لا ينتج عنه عادةً تركيبات منتظمة، أما في هذه الحالة فإننا نستخدم هذه العملية الفوضوية بطبيعتها لتكوين تركيبات هرمية».

تصلح العملية المستخدمة لإنتاج هذه المواد مع أنواع عديدة من البوليمرات، وهي عمومًا فعالة وغير مكلفة، كما يمكن بسهولة زيادة حجم عملية التصنيع scale up لإنتاج كميات كبيرة من المواد النانوية اللينة، وهو ما يمثل تحديًا في مجال صناعة المواد في نطاق المايكرو والنانو.

سوف تسعى الأبحاث المستقبلية في مختبر فيليف إلى كشف الأساسيات وراء هذه النتائج المدهشة، وسيتناول البحث أيضًا دراسة الأنماط المختلفة للبوليمرات والمواد البوليمرية البيولوجية biopolymer التي يمكن إنتاجها باستخدام هذه العملية، والتي تتضمن مواد الكسوة، والصفائح الطاردة أو الجاذبة للمياه، والسقالات الخلوية cell scaffolds (وهي تقنية تُستخدم في زراعة الأنسجة)، ومعاجين الطباعة ثلاثية الأبعاد. وسجلت ولاية كارولينا الشمالية براءة اختراع المواد الشجرية اللينة الجديدة، وطريقة تصنيعها.

يقول الباحث المشارك في الدراسة سيمون ستويانوف Simeon Stoyanov: «يمثل هذا البحث نموذجًا لتضافر العلوم الأساسية والتطبيقية معًا؛ إذ أننا بدأنا العمل أولًا باستخدام الاكتشافات العلمية الأساسية، ثم وجدنا العديد من التطبيقات الجديدة أثناء البحث، مثل مواد اللصق الفائقة، ومواد الكسوة؛ وهو ما أثار بدوره تساؤلات أساسية جديدة تتعلق بخواص هذه المواد».