استراتيجية لمصفوفة مشتقة من الكتلة الحيوية مع قدرات قولبة سهلة وإعادة تدوير دائرية

تحويل نفايات الحرير إلى مواد مفيدة

معظم البلاستيك والمركبات التقنية المتقدمة التي تجعل سياراتنا وطائراتنا وتوربينات الرياح أخف وزناً وأكثر قوة تكاد تكون مستحيلة إعادة تدويرها. تُظهر هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء تلك المواد المتينة من الحرير—نفس المادة الموجودة في شرانق دودة القز—بحيث يمكن قولبة الأجزاء في درجة حرارة الغرفة، واستخدامها في ظروف قاسية، ثم تفكيكها مرة أخرى مع فقدان ضئيل جداً في الجودة. بالنسبة لأي شخص يقلقه نفايات البلاستيك والطاقة المستخدمة لصنع مواد جديدة، يقدم هذا العمل لمحة عن مستقبل أنظف ودائري.

لماذا من الصعب إعادة تدوير المركبات الحالية

تُبنى المركبات الحديثة المقواة بالألياف مثل الخرسانة المسلحة: ألياف صلبة مثل الكربون أو الزجاج محبوسة داخل «لاصق» بلاستيكي صلب يُسمى المصفوفة. هذا المزيج يمنح قوة وصلابة ممتازتين، لذا ارتفع الإنتاج إلى أكثر من عشرة ملايين طن سنوياً. لكن اللاصق عادةً ما يكون بلاستيكاً مشبكاً بشدة لا يمكن صهره أو تفكيكه بسهولة. يؤدي القص أو الطحن إلى إتلاف الألياف الطويلة، في حين أن طرق الكيمياء عالية الحرارة تحرق البلاستيك وقد تضعف الألياف نفسها. ونتيجة لذلك، يتم إعادة تدوير أقل من واحد بالمئة من هذه المركبات، وتنتهي معظمها في مدافن النفايات أو تُحرق، مهدرةً ألياف الكربون القيمة ومُسببةً تلوثاً.

مسار جديد: استخدام الحرير نفسه كلواصق

يقترح المؤلفون تغيير طرق تفكيرنا حول البلاستيك المعتمد على المواد الحيوية. بدلاً من تفكيك البوليمرات الطبيعية إلى لبنات بناء صغيرة ثم إعادة بلمرتها مع إضافات وحرارة، يحتفظون بالجزيئات الكبيرة الأصلية سليمة إلى حد كبير. في هذه الحالة، يبدأون من شرانق دودة القز غير القابلة للمعالجة والمنسوجات الحريرية المهملة. يُنظف الحرير ويُذوّب ويُجفف إلى مسحوق بروتيني يُدعى الحرير المستعاد (الفيبروين المجدد). عندما يُذاب هذا المسحوق في مذيبات عضوية خاصة ويُترك ليجف في درجة حرارة الغرفة، تُعيد جزيئات الحرير ترتيب نفسها تلقائياً إلى شبكة مستقرة. هذا يخلق مصفوفة صلبة دون أي روابط متصالبة مضافة أو عوامل تصلب أو محفزات، ودون تسخين فوق درجة حرارة الغرفة.

بناء مركبات قوية ومتينة

لتحويل مصفوفة الحرير إلى مادة هيكلية حقيقية، نقع الفريق أقمشة ألياف كربون منسوجة في محلول الحرير وتركوا المذيب يتبخر ببساطة. تدفقت الحرير حول وبين الألياف ثم «أقفلت» في بنية أكثر ترتيباً أثناء الجفاف. من خلال ضبط كمية محلول الحرير المضافة، صنعوا صفائح مركبة بمحتويات ألياف مختلفة. عند نحو ثلثي الوزن من ألياف الكربون، وصلت الصفائح إلى مقاومات شَد تزيد على 1.1 غيغاباسكال وصلابة تزيد على 30 غيغاباسكال—أرقام تنافس أو تتفوق على العديد من المركبات القابلة لإعادة التدوير المصنوعة من راتنجات تقليدية معتمدة على البترول أو راتنجات معتمدة على المواد الحيوية. كما تحملت المادة الهواء الحار الرطب والضوء فوق البنفسجي القوي مع فقدان طفيف فقط في الأداء، مما يشير إلى أن مصفوفة الحرير تظل مستقرة في بيئات العالم الواقعي الصعبة.

إغلاق الحلقة بإعادة تدوير لطيفة

ربما الجانب الأكثر إثارة في هذا النظام هو سهولة تفكيكه. غمر الباحثون الصفائح المركبة المستعملة في مزيج معتدل من ملح الكالسيوم والإيثانول والماء في درجة حرارة الغرفة. ذاب هذا السائل المصفوفة الحريرية بشكل انتقائي بينما ترك ألياف الكربون دون مساس. ثم كان بالإمكان سحب الألياف كنسيج سليم حافظ على غالبية قوته الأصلية، حتى بعد ثلاث جولات من إعادة التدوير. في الوقت نفسه، استُعيد الحرير المذاب ونُقِّي وجُفّف مرة أخرى إلى مسحوق، جاهز لإعادة الذوبان والاستخدام لصنع مركبات جديدة. نجحت نفس الطريقة أيضاً مع ألياف الأراميد والزجاج. علاوة على ذلك، صُبّت محاليل الحرير المجمعة أثناء إعادة التدوير في أغشية رقيقة أظهرت توافقاً جيداً مع الخلايا الحية وفي تجارب على الفئران، ما يوحي باستخدامات بيومِدِيكالية محتملة لهذا البروتين المستعاد.

ماذا يعني هذا لمستقبل أنظف للمواد

من خلال إظهار أن بروتين الحرير يمكن أن يعمل كلصق عالي الأداء، قابل للقولبة في درجة حرارة الغرفة، وقابل لإعادة التدوير بالكامل لمركبات الألياف، يحدد هذا العمل مساراً مختلفاً للمواد المستدامة. بدلاً من الكيميائيات المعقدة التي تتطلب حرارة والعديد من الإضافات، تعتمد العملية على الميل الطبيعي لجزيئات الحرير للتجمع في هياكل قوية ول لإعادة الذوبان تحت ظروف لطيفة. النتيجة هي مركب يستخدم مواد أولية متجددة، ويقدم خصائص ميكانيكية مناسبة لتطبيقات متطلبة، ويمكن تفكيكه مراراً إلى مكوناته الأصلية من الألياف والبروتين. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية بسيطة: يمكن دمج الحرير المهدر والألياف المتقدمة في أجزاء قوية لا تحتاج أن تُرمى بعد الآن—يمكن أن تولد من جديد مراراً وتكراراً.

الاستشهاد: He, F., Ying, S., Liu, H. et al. A strategy for biomass-derived matrix with facile moulding and closed-loop recycling capabilities. Nat Commun 17, 3013 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69813-2

الكلمات المفتاحية: مركبات الحرير, إعادة التدوير في حلقة مغلقة, مواد من الكتلة الحيوية, ألياف الكربون, بوليمرات مستدامة