أغشية البوليمر الجزيئية

ويمكن استخدام الأغشية البوليمرية ذات القنوات النانوية الحجم في مجموعة متنوعة من التطبيقات المهمة، مثل أجهزة احتجاز الغازات الدفيئة، وإنتاج الوقود المعتمد على الإشعاع الشمسي، وتحلية مياه البحر. ومن أجل تحقيق هذه التطبيقات، سيكون من الضروري تطوير طريقة لإنتاج مثل هذه الأغشية على نطاق تجاري. لقد نجح الباحثون الآن في تطوير هذا المجال من خلال تطوير طريقة مبتكرة.

نجح باحثون من المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة كاليفورنيا (بيركلي) في تطوير طريقة جديدة يمكن استخدامها لبدء التجميع الذاتي للأغشية البوليمرية المرنة بقنوات نانومترية عالية الترتيب. تعد هذه الطريقة المبتكرة، المتوافقة تمامًا مع عمليات إنتاج الأغشية التجارية الحالية، أول مثال على إنتاج الأنابيب النانوية العضوية المدمجة في غشاء وظيفي على مسافات مجهرية.

وقال الباحث الرئيسي تينغ شو: "لقد استخدمنا الببتيدات الحلقية المكونة للأنابيب النانوية والبوليمرات المشتركة لإظهار طريقة التجميع المشترك المباشرة لإعداد الأغشية ذات المسام دون النانومترية".

"ستسمح لنا هذه الطريقة المبتكرة بتحضير طبقات مسامية رقيقة في المستقبل والتي يمكننا تحديد شكلها وحجمها مسبقًا من خلال التركيب الجزيئي للأنابيب النانوية العضوية." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية أكس نانو.

تعتبر الأغشية ذات القنوات من أهم الاختراعات التي خلقتها الطبيعة وأكثرها تطوراً. تعمل الأغشية التي تحتوي على قنوات دون نانومتر كحدود بين المواد الموجودة داخل الخلية البيولوجية والمواد الموجودة خارجها - اعتمادًا بشكل أساسي على حجمها - وتكون مسؤولة عن نقل الجزيئات والمواد الأساسية إلى داخل الخلية وعبرها وخارجها. في هذا النهج تكمن إمكانات كبيرة لتطوير مجموعة واسعة من التقنيات المهمة، ولكن التحدي الأكبر في هذا المجال كان حتى الآن هو إيجاد وسائل فعالة من حيث التكلفة لترتيب منظم للقنوات دون النانومترية على طول مسافات مجهرية من خلال ركائز مرنة.

يوضح الباحث: "لقد تم اختبار تحقيق التحكم على المستوى الجزيئي في حجم وشكل الفوهات، وكذلك على كيمياء سطح القنوات في الأغشية البوليمرية في العديد من مجالات البحث، لكنه لا يزال يمثل عنق الزجاجة الكبير". "لقد تم بالفعل تحضير طبقات من المواد المركبة باستخدام أنابيب الكربون النانوية المجوفة وهناك تقدم سريع في هذا المجال. ومع ذلك، لا يزال هناك تحدي في التحكم في الترتيب المناسب لهذه الأنابيب النانوية على مسافات كبيرة." استخدم العلماء في بحثهم الأنابيب النانوية العضوية التي تتشكل بشكل طبيعي بواسطة الببتيدات الحلقية، والتي، على عكس الأنواع الأخرى، يمكن تغيير حجمها وترتيبها المكاني أثناء الإنتاج نفسه. ومن أجل تحضير الغشاء نفسه، استخدم الباحثون سلاسل طويلة من جزيئات المونومر من نوع واحد مرتبطة بسلاسل من نوع آخر (كتلة البوليمر المشترك). وكما تتجمع الببتيدات الحلقية ذاتيًا لتشكل أنابيب نانوية، كذلك تتجمع البوليمرات ذاتيًا لتشكل مصفوفات مرتبة طويلة المدى من البنى النانوية.

تم استخدام البوليمر المرتبط كيميائيًا بالببتيد الحلقي "كوسيط" يربط بين هذين النظامين المتميزين اللذين ينظمان بشكل مستقل.

يوضح الباحث أن "البوليمر الوسيط هو مفتاح النجاح". "إنه يتحكم في الواجهة بين الببتيدات الحلقية والبوليمرات وينسق تنظيمها الذاتي. والنتيجة هي أن القنوات من نوع الأنابيب النانوية يتم الحصول عليها فقط داخل هيكل البوليمر الموجود في الغشاء.

تمكن الباحثون من إنتاج أغشية مسامية ذات ثقوب بحجم أقل من نانومتر تمتد لعدة سنتيمترات وتتميز بمصفوفات كثيفة للغاية من القنوات. تم اختبار القنوات عن طريق قياس مرور ثاني أكسيد الكربون وغازات البنتان الجديدة. وأكدت القياسات أن النفاذية كانت أعلى بالنسبة لجزيئات ثاني أكسيد الكربون الأصغر منها في جزيئات البنتان الجديدة الأكبر حجمًا. وستكون الخطوة التالية للباحثين هي استغلال هذه الطريقة لصنع أغشية أرق.

أخبار الدراسة