هلاميات نانوية rGO/BC تُظهر امتصاصًا قابلًا لإعادة التدوير للمذيبات العضوية والزيوت مع مقاومة محسنة للحريق

تنظيف التسربات باستخدام إسفنجات ذكية

تُعد تسربات النفط والمواد الكيميائية في الماء صعبة ومكلفة التنظيف بشدة. المواد المتاحة اليوم قادرة على امتصاص الملوثات، لكنها غالبًا ما تكون قابلة للاشتعال بسهولة، أو تتفتت بعد عدة استخدامات، أو تكون نفسها ضارة بالبيئة. تقدم هذه الدراسة نوعًا جديدًا من «الإسفنجات الذكية» فائقة الخفة — هلام نانوي مركب مصنوع من السليلوز البكتيري الطبيعي وورق الكربون المعروف بأكسيد الجرافين — يمكنه امتصاص السوائل العضوية من الماء مرارًا وتكرارًا مع مقاومة اللهب والحفاظ على الاستقرار البنيوي.

بناء إسفنجة أفضل من الطبيعة والكربون

بدأ الباحثون بالسليلوز البكتيري، شبكة من الألياف الدقيقة الشبيهة بالنباتات تُنتجها الميكروبات، وتعتبر متجددة وغير سامة وعالية المسامية. لكنها بمفردها ليست مثالية لاحتجاز الملوثات الزيتية ويمكن أن تتلف بسهولة من الحرارة. لتعزيز أدائها، جمع الفريق بين هذه الشبكة من السليلوز وأكسيد الجرافين، وهو مادة كربونية مكونة من صفائح رقيقة مزينة بمجموعات محتوية على الأكسجين. عند خلطهما في الماء ثم تجميدهما وتجفيفهما بالتجميد، تتشابك المكونان لتكوّن هلامًا ثلاثي الأبعاد خفيفًا كالحَريش مع متاهة من المسام والقنوات. من خلال تعديل نسب الخلط (من أجزاء متساوية إلى خلطات غنية بالسليلوز) ومدى شدة الخلط، ضبط العلماء مدى توزيع أكسيد الجرافين عبر السقالة السليلوزية ومدى قوة وافتتاحية البنية الناتجة.

ضبط السطح للامتصاص الانتقائي

لم يكن مجرد خلط المكونين كافيًا. يكمن المفتاح في تحويل هذه الهلاميات إلى إسفنجات قوية لالتقاط التلوث في عملية «اختزال» أكسيد الجرافين، أي إزالة العديد من مجموعاته الحاوية على الأكسجين لجعل السطح أكثر غنىً بالكربون ومتنافرًا مع الماء. جرب الفريق عدة استراتيجيات: معالجات كيميائية بالهيدرازين أو الإيثيلين ثنائي الأمين، طرق أكثر خضرة باستخدام فيتامين C (حمض الأسكوربيك)، والتعرض للغاز الهيدروجيني عند درجات حرارة مرتفعة. طُبقت بعض الطرق بعد تشكيل الهلام، وأخرى قبل التشكيل. كل طريقة غيّرت مدى طردية الماء للمادة، وعدد العيوب المتكونة في صفائح الكربون، ومدى ارتباط الكربون بالسليلوز. أظهرت قياسات مساحة السطح وحجم المسام والبصمات الكيميائية أن المعالجة المناسبة يمكن أن تزيد بشكل كبير المساحة الداخلية المتاحة لاحتجاز السوائل مع الحفاظ على الشبكة المسامية.

الامتصاص المتكرر للمذيبات

لاختبار الأداء، وُضعت الهلاميات في سوائل عضوية وزيوت متنوعة، بما في ذلك مذيبات صناعية شائعة وزيوت نموذجية، منفردة ومختلطة مع الماء. أفضل عينة أداءً، هلام غني بالسليلوز وُسم rGO/BC-90G، استخدمت أولًا فيتامين C لاختزال الجرافين ثم جزيء رابط صغير لربط الكربون بالسليلوز. وصلت هذه النسخة إلى مساحة سطح أكثر من ضعفي المركب غير المعالج وكانت قادرة على امتصاص أكثر من 100 ضعف وزنها في بعض المذيبات — حتى حوالي 116 غرامًا من ثنائي كلور الميثان لكل غرام من الهلام. طُورت نسخ أخرى لتكون شديدة طردية الماء، بحيث تطفو على الماء وتسحب الزيت أو قطرات المذيبات انتقائيًا بينما تترك الماء خلفها. والأهم من ذلك، أن هذه الهلاميات كان بالإمكان عصرها أو تجفيفها وإعادة استخدامها على الأقل خمس مرات، مع احتفاظها بغالبية قدرتها الأصلية على الامتصاص، مما يجعلها أكثر عملية للتنظيف في العالم الحقيقي.

التحمّل للحرارة واللهب

بخلاف الامتصاص، كان من الضروري أن تكون المواد الجديدة آمنة في البيئات الحارة أو الخطرة. استخدم الفريق اختبارات تسخين محكمة لمراقبة فقدان الوزن أثناء التحلل، ممّا كشف كيف تنهار مكونات السليلوز والكربون ومدى قوة ارتباطها. كانت الهلاميات ذات المحتوى الأعلى من الجرافين أكثر ثباتًا حراريًا، واحتفظت بعض النسخ المختزلة، خصوصًا تلك المرتبطة بعد الاختزال، بمتانة جيدة. أظهرت اختبارات اللهب المباشرة أنه بينما يحترق السليلوز البكتيري النقي بسهولة، فإن المركبات النانوية المحسنة شكّلت طبقة فحمية واقية، قاومت الاشتعال، وحتى حمت زهورًا دقيقة وُضعت تحتها خلال التجربة. هذا الجمع من مقاومة الحرارة، والثبات الميكانيكي، والخفة يجعلها جذابة للحالات التي قد يحدث فيها خطر حريق وتسربات كيميائية معًا.

أدوات جديدة لمياه أنظف

بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة أن خلطات مُهندَسة بعناية من السليلوز البكتيري والكربون المشتق من الجرافين يمكن أن تعمل كمكانس قابلة لإعادة التدوير وعالية السعة للمذيبات العضوية والزيوت، كما تتحمل الحرارة واللهب. من خلال ضبط كيفية اختزال الكربون وكيفية ربطه بشبكة السليلوز، أنشأ الباحثون هلاميات تمتص الملوثات من الماء انتقائيًا، ويمكن إعادة استخدامها عدة مرات، وتبقى متينة بنيويًا. للخارجين عن التخصص، الخلاصة أن الجمع بين شبكة ألياف طبيعية وكيمياء كربون ذكية يفضي إلى فئة واعدة من المواد الصديقة للبيئة لتنظيف المياه الملوثة وإدارة تسربات المصانع بشكل أكثر أمانًا واستدامة.

الاستشهاد: Khalili, E., Heidari, H. rGO/BC nanocomposite aerogels exhibit recyclable adsorption of organic solvents and oils with enhanced flame resistance. Sci Rep 16, 11819 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41010-7

الكلمات المفتاحية: تنظيف تسربات النفط, هلاميات الجرافين, السليلوز البكتيري, تنقية المياه, ممتصات قابلة لإعادة الاستخدام