الهياكل النانوية الصالحة للأكل

قاد السكر والملح والكحول وقليل من الحظ فريق بحث من جامعة نورث وسترن لاكتشاف عائلة جديدة من الهياكل النانوية التي يمكن استخدامها لتخزين الغاز وفي التقنيات الغذائية والطبية. وهذه المركبات كلها صالحة للأكل.

تشكل البلورات المسامية أول الهياكل المعدنية العضوية الطبيعية التي تم إعدادها ببساطة. معظم السقالات المعدنية العضوية الأخرى مصنوعة من مكونات ذات أساس بترولي، لكن البلورات الجديدة يمكنك وضعها في فمك وتناولها.

وقال رونالد سمالدون، أحد الباحثين: "مذاقها مر قليلاً، يشبه الرقاقة المالحة، النشوية والحساسة". "ومع ذلك، فإن الشيء المثير للاهتمام هو أن جميع المواد الأولية غير سامة، ومتجددة بيولوجيًا ومتوفرة على نطاق واسع، وبالتالي توفر نهجًا "أخضرًا" لتخزين الهيدروجين لدفع المركبات." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Angewandte Chemie. يقول أحد الباحثين: "بعد اكتشافنا العرضي، اكتسبت كيمياء المطبخ معنى جديدًا تمامًا".

الأطر المعدنية العضوية عبارة عن بلورات تشبه الشبكة بشكل كبير. رؤوس الشبكات عبارة عن ذرات معدنية (مثل النحاس أو الزنك أو النيكل أو الكوبالت)، وتربط الفريت العضوي بين القمم. وفي مساحاتها الواسعة، تكون هذه المواد قادرة على تخزين الغاز بكفاءة، مثل الهيدروجين أو ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل الهياكل النانوية مفيدة للمهندسين والعلماء. يقول أحد الباحثين: "إن استخدام المواد الطبيعية كوحدات بناء يوفر اتجاهًا جديدًا لتكنولوجيا قديمة".

ويوضح الباحث أن "تقنية الهياكل المعدنية العضوية موجودة منذ عام 1999 وتعتمد على مواد كيميائية مشتقة من النفط الخام". "على النقيض من ذلك، فإن المكون الرئيسي لدينا هو مسحوق النشا الذي يتم الحصول عليه كمنتج ثانوي في صناعة الذرة."

من أجل تحضير المواد الصالحة للأكل، لم يستخدم الباحثون سكر المائدة العادي، بل استخدموا جاما سيكلوديكسترين - وهو نظام حلقي مكون من ثماني وحدات سكر تم الحصول عليها من نشا الذرة المتجدد حيويًا. يمكن أن يكون الملح كلوريد الصوديوم - أحد مكونات الملح العادي، أو بنزوات البوتاسيوم - وهي مادة حافظة تجارية للأغذية، والكحول هو سائل الذرة Everclear. مع وجود هذه المكونات في متناول اليد، شرع الباحثون في البحث عن الهياكل الجزيئية المعتمدة على جاما سيكلوديكسترين. أدت أبحاثهم إلى الحصول على البلورات. وبعد فحص بنية البلورات باستخدام الأشعة السينية، فوجئ الباحثون بأنهم صنعوا هياكل معدنية عضوية، وهي نتيجة غير شائعة بالنسبة للمواد الطبيعية.

يوضح الباحث: "يعد التماثل عاملاً مهمًا جدًا في الهياكل العظمية المعدنية العضوية". "تكمن المشكلة في حقيقة أن وحدات البناء الطبيعية غالبًا ما تكون غير متماثلة، وهي حقيقة ربما تمنعها من التشكل في هياكل عظمية مسامية ومنظمة بشكل خاص."

اتضح أن مادة جاما سيكلوديكسترين حلت المشكلة: فهي تتكون من ثماني وحدات جلوكوز غير متماثلة منظمة في بنية حلقة، وهي في حد ذاتها متناظرة. يتم إذابة جاما سيكلوديكسترين والملح في الماء ثم يتم التصلب عن طريق تبخير الكحول.

النظام الناتج - بلورات تتكون من مكعبات تتضمن ستة أجزاء من جاما سيكلوديكسترين متصلة ثلاثي الأبعاد بواسطة أيونات البوتاسيوم - لم يكن معروفًا من قبل. ويعتقد فريق البحث أن هذا النهج المتمثل في مطابقة التماثل وعدم التماثل سيكون مناسبًا أيضًا للمواد الأخرى.

تشكل المكعبات هيكلًا مساميًا مزودًا بفتحات يمكن الوصول إليها بسهولة، وهذه المادة مثالية لالتقاط الغازات والجزيئات الصغيرة. يشكل حجم المسام 54% من الحجم الكلي للمادة الصلبة. ويضيف الباحث: "لقد حققنا هذا المعدل من المسامية بسرعة وباستخدام مكونات بسيطة". "على النقيض من ذلك، فإن صنع السقالات المعدنية العضوية باستخدام المواد البترولية يمكن أن يكون مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً."

الخبر من الجامعة