من نفس الإطار فوق الجزيئي إلى أنواع مختلفة من السوائل المسامية عبر التحول الموقعي

سوائل بها فراغات صغيرة مخفية

تخيل سائلاً يتدفق مثل الزيت لكنه يخفي داخله عددًا لا يحصى من الغرف الصغيرة الفارغة. مثل هذه «السوائل المسامية» تستطيع امتصاص الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر فعالية بكثير من السوائل العادية، مما يوفر أدوات جديدة لتقليل انبعاثات الاحتباس الحراري وتخزين المواد الكيميائية بكفاءة أعلى. تُظهر هذه الدراسة كيفية صنع نوعين مختلفين تمامًا من هذه السوائل غير المألوفة من نفس المادة الابتدائية، ببساطة عن طريق تغيير السائل الشبيه بالملح المحيط.

لبِنات تتشابك معًا

يبدأ الباحثون بإطار فوق جزيئي، وهو صلب مبني من أقفاص معدنية-عضوية تتشابك معًا كقطع أحجية ثلاثية الأبعاد. كل قفص عبارة عن مجموعة جوفاء ذات فتحات مثلثية صغيرة تؤدي إلى تجويف داخلي. تُربط هذه الأقفاص في إطار أكبر بواسطة روابط أيونية نسبياً ضعيفة، شبيهة بالجذب بين الجسيمات المشحونة في ملح الطعام. وبما أن هذه الروابط سهلة التفكك، يمكن إعادة ترتيب البنية بأكملها إذا وُضعت في بيئة سائلة مناسبة.

سائلان، نتيجتان مختلفتان

للتحكم بما يحدث للإطار، صممت المجموعة سائليْن أيونييْن متقاربين تقريبًا مستندين إلى سلسلة بولي إثيلين غليكول مرنة. الفرق الوحيد هو الشريك السالب: أحد السائلين يحمل أيونات البروميد، والآخر يحمل أيونات NTf2 الأكبر حجماً. على الرغم من هذا التغيير البسيط، يكون سلوكهما معكوسًا. في سائل البروميد، تجذب الشحنات السالبة في المذيب الإطار الموجَب بشدة، فتفكك الروابط الأيونية وتطلق الأقفاص الفردية التي تذوب تمامًا. هذا ينتج «سائل مسامي من النوع الثاني»، حيث تطفو أقفاص جوفاء معزولة في السائل. في سائل NTf2، تكون كلٌّ من أسطح المذيب والإطار موجبة الشحنة، لذا تتنافران. يبقى الإطار سليمًا لكنه يتشتت بشكل منتظم، مكوّنًا «سائلًا مساميًا من النوع الثالث» حيث تُعلّق جسيمات صلبة مع استمرارها في توفير تجاويف يمكن الوصول إليها.

كيف تحجز التجاويف الصغيرة الغازات

تؤكد التجارب والمحاكاة الحاسوبية أنه في كلا السائلين، جزيئات المذيب الضخمة كبيرة جدًا بحيث لا تستطيع الانزلاق عبر نوافذ الأقفاص، لذا تظل الغرف الداخلية فارغة وجاهزة لاستقبال جزيئات الغاز. تظهر قياسات أعمار البوزيترون، الحسَّاسة للفراغات بمقياس النانو، أن كلا السائلين يحتويان على حجم حر أكبر من مذيباتهما النقية. تكشف المحاكاة أيضًا عن «تجاويف خارجية»: فراغات إضافية تظهر حيث تتكدس جزيئات المذيب حول كل قفص. تعمل هذه الجيوب الإضافية كخزائن تخزين إضافية للغاز. يشكل السائل من النوع الثاني، مع أقفاص مفصولة فرديًا تحيط بها جزيئات المذيب، عددًا أكبر من هذه التجاويف الخارجية مقارنة بسائل النوع الثالث، حيث تتجمع الأقفاص داخل الإطار.

مفتاح ضوئي لالتقاط الكربون

ما يضيف منعطفًا مهمًا هو أن جدران الأقفاص تتضمن وحدات أزوبينزين، وهي جزيئات تتغير شكلها عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي. تحت الأشعة فوق البنفسجية تنثني، مما يضيق أو يعيد تشكيل التجاويف بشكل طفيف؛ وتعود لتستقيم تحت الضوء المرئي. في السائل من النوع الثاني، حيث تتحرك الأقفاص بحرية أكبر، يكون هذا التحوّل الشكلي أكثر فعالية ويؤدي إلى تغيير كبير قابل للعكس في مقدار ثاني أكسيد الكربون الذي يمكن أن يحتفظ به السائل. عند درجات حرارة منخفضة وضغط معتدل، يخزن السائل من النوع الثاني القائم على البروميد أكثر من ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بنظيره من النوع الثالث وبشكل كبير أكثر من المذيب العادي. كما يظهر سعة قياسية عالية مقارنةً بكل السوائل المسامية من النوع الثاني المبلغ عنها سابقًا، مع استمرار تفضيله لامتصاص ثاني أكسيد الكربون على النيتروجين والميثان.

لماذا يهم هذا لغازات أنظف

من خلال ضبط التفاعلات الكهربائية برقة بين الإطار المسامي والسائل الأيوني المحيط به، أظهر الباحثون وصفة عامة لصنع سوائل مسامية مختلفة جدًا من نفس لبِنات البناء. يؤدي طريق واحد إلى أقفاص مذابة ذات سعة غاز استثنائية وتحكّم ضوئي قوي؛ والطريق الآخر يحافظ على إطار ممتد بأداء أكثر اعتدالًا لكنه محسّن. قد يساعد هذا النهج المهندسين على تصميم سوائل قابلة للتخصيص والقابلة للتبديل لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من تيارات غازية مختلطة ولعمليات فصل أخرى، جامعًا بين سهولة معالجة السوائل وقوة التخزين للمواد المسامية الصلبة.

الاستشهاد: Liu, Y., Jin, HY., Li, MM. et al. From the same supramolecular framework to distinct types of porous liquids via in-situ transformation. Nat Commun 17, 3072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69837-8

الكلمات المفتاحية: السوائل المسامية, احتجاز ثاني أكسيد الكربون, السوائل الأيونية, فصل الغازات, مواد مستجيبة للضوء