تأثير أنظمة المذيبات المتعددة على عملية الغزل الكهربائي

لماذا تهم الألياف الدقيقة والسوائل البسيطة

من أقنعة الوجه القابلة للتنفس إلى الضمادات الذكية وتغليف الأغذية، تعتمد العديد من المواد الحديثة على حصائر من ألياف بلاستيكية رفيعة للغاية. إحدى أكثر الطرق متعددة الاستخدامات لصنع هذه الألياف النانوية هي تقنية تُسمى الغزل الكهربائي، التي تسحب خيوطاً من سائل باستخدام جهد كهربائي عالي. يطرح هذا البحث سؤالاً يبدو بسيطاً لكنه ذا عواقب عملية كبيرة: كيف يؤثر اختيار وخلط المذيبات المختبرية اليومية — السوائل المستخدمة لحل البلاستيك — في تحديد ما إذا كانت تتكون ألياف مرتبة ومفيدة أم يتحول السائل فجأة إلى هلام عديم الفائدة؟

نسج شبكات من سائل مشحون

يبدأ الغزل الكهربائي ببوليمر مذاب في مذيّب ويُدفع عبر فوهة صغيرة. عند تطبيق جهد عالي، تنطلق خيط رقيق نحو صفيحة جامع ويتصلب ليشكل شبكة من الألياف أرق من شعرة الإنسان. تكمن قوة هذه الطريقة في إمكانية ضبط قطر الألياف، نعومتها ومساميّتها لتتناسب مع تطبيقات مختلفة، من ضمادات حاملة للأدوية إلى مرشحات الهواء والماء. لكن العملية حساسة للغاية لخصائص السائل: لزوجته، توتره السطحي، وقدرته على توصيل الكهرباء تعتمد كلها على المذيب أو مزيج المذيبات المستخدم. في هذه الدراسة ركز الباحثون على بلاستيك قابل للتحلل الحيوي، بولي بوتيلين سكسبينات (PBS)، واستكشفوا ما يحدث عندما يُذاب في كلوروفورم مع مذيـب ثانٍ ذي نقطة غليان أعلى.

عندما يتحول سائل صافٍ فجأة إلى هلام

مزج الفريق بشكل ممنهج الكلوروفورم مع ثلاثة مذيبات عضوية شائعة — ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) ودي-ليمونين — وذابوا فيهما درجتين تجاريتين من PBS. لوحظ أن العديد من هذه الخلائط ثنائية المذيبات، بدلاً من البقاء صافية، تحولت ببطء إلى عكرة ثم أخيراً إلى كتلة تشبه الهلام أو الشحم، وخصوصاً عند وجود DMF أو DMSO. من خلال تسخين وتبريد المحاليل بعناية وتتبع نقاط التحول بين السائل والهلام، رسم الباحثون خرائط لدرجات حرارة الانتقال وقدروا حاجز الطاقة لهذا التغير. يقترح تحليلهم لأشكال جزيئات المذيبات وتوزيع الشحنة أن DMF وDMSO شديدتا القطبية ترتبطان بقوة بكل منهما ومع مواقع محددة على سلاسل PBS. هذه الاتصالات تقفل أجزاء من السلسلة فعلياً، تقلل من الحركة وتدفع الخليط بأكمله نحو الترسيب المحلي والتجلط الهلامي.

اختلافات صغيرة في البلاستيك، اختلافات كبيرة في السلوك

من المثير للاهتمام أن منتجي PBS، رغم تقاربهما في الوزن الجزيئي، استجابا بشكل مختلف تماماً. درجة واحدة (BioPBS FD 92) جلَّت فقط عندما كان محتوى المذيـب القطبي المشترك مرتفعاً نسبياً، بينما بدأت الدرجة الأخرى (PBE 003) تتحول إلى عكرة مع إضافات أصغر بكثير. يربط المؤلفون هذا التباين بفروق دقيقة في الكثافة، هندسة السلسلة والإضافات المعالجة المصنعية، التي تغير مدى سهولة انزلاق جزيئات المذيبات بين قطع البوليمر. أظهرت قياسات اللزوجة أن محاليل BioPBS كانت أكثر لزوجة، مما ساعد على تثبيت النفاثة المشحونة أثناء الغزل الكهربائي، مؤدياً إلى ألياف أكثر انتظاماً. وبالمقابل، كانت محاليل PBE 003 الأقل لزوجة أكثر عرضة لعدم الاستقرار، منتجة أليافاً بتوزيع قطر أوسع وعيوب مغزلية أكثر، خاصة مع تقدم التجلط عبر الزمن.

من خيوط ناعمة إلى ألياف مسامية وغير مستقرة

باستخدام مجاهر إلكترونية، قارن الباحثون الألياف المنتجة من كل مزيج مذيبات. مع DMF كمذيب ثانٍ، حصلوا على ألياف ناعمة ومتواصلة. عندما استُخدم DMSO بدلاً منه، طورت الألياف سطحاً مسامياً. يعزو المؤلفون ذلك إلى فصل طورٍ ناتج عن البخار: DMSO شديد المحبة للماء يمتص الرطوبة من الهواء المحيط، مما يسبب ترسيب PBS المذاب على سطح الليف قبل تبخر المذيبات بالكامل، تاركاً فراغات صغيرة. بالنسبة للخليط الذي جلَّ بسرعة، تقلصت نافذة المعالجة المفيدة إلى نحو نصف ساعة. بعد ذلك، انقطعت النفاثة، وأصبح قطر الألياف متقلباً وظهرت مغازل سميكة، مبيناً كيف أن التجلط المتعلق بالزمن يقوض مباشرة جودة المنتج وقابليته للتوسع.

ماذا يعني هذا لمواد الألياف الأكثر صداقة للبيئة

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن ذوبان البلاستيك في «أي» خليط متوافق من السوائل لا يكفي إذا كان الهدف أليافاً نانوية موثوقة ومصممة بدقة. يمكن أن يوجّه الاقتران الدقيق ونسبة الخلط للمذيبات السائل بهدوء من حالة قابلة للغزل إلى هلام جامد يعيق العملية، أو إلى محلول يشكل أليافاً إما ناعمة أو مسامية. بالنسبة لـ PBS القابل للتحلل، توفر الشركاء القطبيون مثل DMF وDMSO سيطرة مفيدة على حجم وملمس الألياف لكنهم قد يحفزون أيضاً التجلط ما لم تُدار نسبهم ودرجة الحرارة بعناية. من خلال تحديد هذه التفاعلات الخفية وتأثيرها على زمن المعالجة، يقدم هذا البحث خريطة عملية لتصميم منتجات ألياف نانوية أكثر أماناً وخضرة للتطبيقات الطبية والتغليف والترشيح دون مفاجآت مزعجة في خط الغزل.

الاستشهاد: Borowczak, M., Sobczyk, K. & Leluk, K. The influence of multi-solvent systems on the electrospinning process. Sci Rep 16, 8666 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42574-0

الكلمات المفتاحية: الغزل الكهربائي, الألياف النانوية, البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي, خليط المذيبات, التجلط الهلامي