إعادة تشكيل هيكل الكتلة الحيوية الخشبية عبر هندسة اللجنين ثنائية الوظيفة نحو تحلية شمسية فعالة ومقاومة للملوحة

تحويل ضوء الشمس والخشب إلى ماء عذب

يعيش مليارات الأشخاص في مناطق تندر فيها مياه الشرب النظيفة، بينما تمتد المحيطات القريبة التي يصعب الوصول إليها لأن إزالة الملح مكلفة وتستهلك طاقة كبيرة. يوضح هذا البحث كيف يمكن لمادة طبيعية شائعة—الخشب—أن تُعاد تصميمها بذكاء لتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى ماء عذب. عبر إعادة التفكير في دور أحد مكونات الخشب الأساسية، اللجنين، يبني الباحثون جهازًا بسيطًا ومنخفض التكلفة يطفو على مياه البحر، ويمتص ضوء الشمس، وينتج ماءً نظيفًا بكفاءة مع مقاومة لتراكم الملح.

لماذا يعد الخشب نقطة انطلاق ذكية

الخشب مادة وفيرة ومتجددة ولديه بالفعل شبكة مدمجة من القنوات الدقيقة التي تستطيع سحب الماء إلى الأعلى، تمامًا كما تسحب الشجرة النسغ من جذورها. تجعل هذه الخصائص الخشب مرشحًا جذابًا لأجهزة التحلية الشمسية التي تسخّن طبقة رقيقة فقط من الماء على السطح بدلاً من أحجام كبيرة، مما يوفر الطاقة. لكن الخشب الطبيعي له قيدان كبيران: لا يمتص ضوء الشمس بقوة كافية، وكيمياءه الداخلية ليست مثالية للتبخر السريع. حاولت تصاميم عديدة سابقة حل هذه المشكلات عبر إزالة معظم اللجنين—المكوّن الشبيه بالغراء والطارد للماء الذي يربط ألياف الخشب—ثم إضافة طبقات ماصة للضوء منفصلة. هذا النهج يحسّن تدفق الماء لكنه يهدر اللجنين ويضعف البنية وغالبًا ما يعتمد على إضافات مكلفة أو أقل صداقة للبيئة.

إعادة تصميم الماء داخل الخشب

يتبع هذا العمل نهجًا معاكسًا: بدلًا من إزالة اللجنين تمامًا، يضبط المؤلفون بعناية كمية ما يبقى في الخشب وكيفية ترتيبه. يمكن أن يوجد الماء داخل المواد المسامية في عدة «حالات» تتراوح من مربوط بقوة إلى مربوط بشكل ضعيف. يركز الفريق على خلق المزيد مما يُسمى بالماء المتوسط—الماء الموجود في حالة ارتباط ضعيفة وبالتالي يحتاج طاقة أقل للتبخر. من خلال مزيج من المعالجة الحرارية والتعديل الكيميائي، يزيلون الجزئي للجنين ويغيرون تركيبته بشكل دقيق. تُظهر قياسات باستخدام المكلوريمتريا والرقمنة المغناطيسية النووية أنه عند درجة المعالجة المثلى (منتجة مادة يسمونها W‑150)، يحمل الخشب المزيد من الماء المتوسط وأقل من الماء المربوط بشدة أو الماء الحر بالكامل. ونتيجة لذلك تنخفض الطاقة المطلوبة لتحول الماء إلى بخار بينما تظل قدرة الخشب الطبيعية على الضخ قوية.

إعادة تدوير اللجنين إلى سطح جاذب للشمس

بدلًا من التخلص من اللجنين المستخرج من الخشب، يعيد الباحثون تدويره إلى طبقة ماصة للضوء عالية الكفاءة. يغطون الخشب المعالج باللجنين المستعاد ثم يتعرضون له لليزر مضبوط بعناية. تعيد الطاقة المكثفة ترتيب ذرات الكربون في اللجنين إلى خليط من كربون رسوبي مسامي وصفائح رقيقة شبيهة بالجرافين. تَحجز هذه الطبقة العلوية الداكنة والإسفنجية ضوء الشمس عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية وتُحوّله إلى حرارة بكفاءة عالية. ليست مجرة المسام هذه مجرد معززة لامتصاص الضوء، بل توفر أيضًا نقاط اتصال دقيقة كثيرة حيث يتجمع الماء المشحون ويكوّن قطرات صغيرة تتبخر بسهولة أكبر. ينتج عن ذلك جهاز أطلقوا عليه اسم E‑150 يجمع بين إدارة الماء المحسنة من الأسفل وامتصاص الضوء القوي من الأعلى، وكل ذلك باستخدام مكونات مشتقة من الخشب ذاته.

سريع ومتين ومقاوم للملح

تحت ضوء الشمس القياسي، يحقق E‑150 معدل تبخر يبلغ 2.24 كيلوجرامًا من الماء لكل متر مربع في الساعة وكفاءة تحويل ضوئي‑حراري تفوق 91%، متفوقًا على معظم المبخرات الخشبية المبلغ عنها سابقًا، بما في ذلك تلك التي تعتمد على معادن أو نانومواد معقدة. وبما أن بعض اللجنين يبقى في الإطار الداخلي، تظل قنوات الخشب متعددة المقاييس سليمة وميكانيكيًا قوية. تسمح هذه البنية لأيونات الملح أن تتحرك جانبًا وتعود إلى الماء المحيط بدلًا من التبلور وسد السطح. في اختبارات مع مياه البحر ومحاليل مالحة جدًا تصل إلى 10% ملح، يحافظ الجهاز على معدل تبخر شبه ثابت لعدة ساعات مع قشرة ملحية ضئيلة أو منعدمة. كما يتحمل دورات متكررة من التجفيف وإعادة الاستخدام دون التشقق أو الانهيار، بخلاف الضوابط التي أزيل منها اللجنين بالكامل.

ماذا يعني هذا لمستقبل المياه العذبة

بعبارة بسيطة، يُظهر البحث أن مجرد «تنظيف» الخشب ليس أفضل طريقة لتحويله إلى مكثف شمسي. عبر إبقاء بعض اللجنين في مكانه وتحويل الباقي إلى غلاف غني بالكربون وعالي الأداء، يحول الباحثون قطعة واحدة من الكتلة الحيوية إلى كل من مواسير الماء ومصدر التسخين لوحدة التحلية. النتيجة جهاز خشبي شامل قابل للتوسع يحول ضوء الشمس ومياه البحر إلى ماء صالح للشرب بكفاءة، ويتغلب على تراكم الملح، ويستخدم مكونات قابلة لإعادة التدوير ومنخفضة التكلفة. يشير هذا الاستخدام المزدوج للجنين—داخل الخشب لإدارة الماء وعلى السطح لحصاد الضوء—إلى مسار عملي وصديق للبيئة نحو تحلية شمسية على نطاق واسع في المناطق الساحلية والقاحلة.

الاستشهاد: Wang, B., He, Y., Yang, Z. et al. Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination. Nat Commun 17, 3758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

الكلمات المفتاحية: التحلية الشمسية, مواد قائمة على الخشب, هندسة اللجنين, التبخر بين الواجهات, معالجة المياه المتجددة