تمكّن باحثون في جامعة أميركبير للتكنولوجيا من تصميم غشاء نانومركّب قائم على بلورات السليلوز النانوية (CNCs) قادر على تحسين ثلاثة معايير أساسية في تحلية المياه في آنٍ واحد، وهي المتانة الميكانيكية، ونفاذية الماء، ورفض الأملاح، وهو تحدٍ طال أمده في تقنيات الأغشية.
ووفقًا للتقرير، قام الباحثون بدراسة دقيقة لنسبة الطول إلى القطر لبلورات السليلوز النانوية ومستوى تحميلها داخل الغشاء، ما أتاح تشكيل شبكة مترابطة شاملة (PIN) تُظهر سلوكًا شبيهًا بالمواد الفوقية (Metamaterials) داخل بنية الغشاء. وتُنشئ هذه الشبكة مسارات منظمة ومضبوطة لنقل الماء، مع منع الانفتاح البنيوي المفرط الذي قد يؤدي إلى انخفاض قدرة رفض الأملاح. وأظهرت النتائج أن تحميلًا قدره 0.50% وزنيًا من بلورات السليلوز النانوية ذات النسبة العالية للطول إلى القطر يوفر التكوين الأمثل، ويؤدي إلى تحسن كبير في أداء أغشية تحلية المياه قليلة الملوحة.
لقد دفعت أزمة المياه العذبة العالمية الدول منذ سنوات إلى تطوير تقنيات أكثر كفاءة لتحلية المياه. ومع تزايد الطلب على مياه الشرب والاستخدامات الصناعية، أصبحت الأغشية البوليمرية من أهم أدوات الفصل في معالجة المياه. غير أن هذه الأغشية تواجه تحديًا مستمرًا يتمثل في تحقيق تحسين متزامن في المتانة الميكانيكية ونفاذية الماء ورفض الأملاح. فتعزيز إحدى هذه الخصائص غالبًا ما يكون على حساب الأخرى، وقد شكّل هذا التعارض البنيوي عائقًا رئيسيًا أمام التقدم الصناعي لعقود. لذلك، كان إيجاد بنية قادرة على تحسين المعايير الثلاثة معًا هدفًا محوريًا لأبحاث الأغشية خلال العقد الماضي.
ولمعالجة هذا التحدي، قام فريق البحث في جامعة أميركبير للتكنولوجيا بدراسة خصائص بلورات السليلوز النانوية وكيفية ترتيبها داخل مصفوفة بوليمرية، ما أدى إلى تطوير غشاء نانومركّب جديد قادر على تجاوز هذا القيد التاريخي. المادة الأساسية للغشاء هي ثنائي أسيتات السليلوز (CDA)، وهو بوليمر مستقر ومتوافر وملائم لتطبيقات الفصل. أما المكوّن المحوري في الدراسة فهو بلورات السليلوز النانوية، وهي هياكل مشتقة من السليلوز الطبيعي وتتميّز بنسبة طول إلى قطر مرتفعة، وقوة ميكانيكية عالية، ومساحة سطحية نشطة كبيرة، ما يجعلها جذابة على نطاق واسع في علوم النانو.
ويكمن دور المكوّن النانوي في هذا المشروع أساسًا في كيفية ترتيب بلورات السليلوز النانوية داخل الغشاء. فقد أظهر الباحثون أن مجرد وجود الجسيمات النانوية غير كافٍ، بل إن نوع الشبكة التي تشكّلها هذه القضبان النانوية هو العامل الحاسم في تحديد الخصائص النهائية للمادة. ويتحكم عاملان رئيسيان—نسبة الطول إلى القطر، والكسر الوزني—في تكوين أنماط مختلفة من التشابك الشبكي، تتراوح بين التشتت العشوائي وتشكيل شبكة مستمرة ومترابطة.
في هذه الدراسة، تم فحص أربعة مستويات تحميل من بلورات السليلوز النانوية ذات النسبة العالية للطول إلى القطر، وهي: 0.15 و0.25 و0.50 و0.75% وزنيًا. وأظهرت الاختبارات الميكانيكية واللزوجية المرنة واختبارات الفصل أنه عند التحميلات المنخفضة (0.15 و0.25%) تبقى البلورات متفرقة أو تشكّل شبكة محدودة ومشدودة. أما عند تحميل 0.50% وزنيًا وما فوق، فتتشكل بنية جديدة هي الشبكة المترابطة الشاملة (PIN). هذه الشبكة النانوية المستمرة لا تعزز متانة الغشاء فحسب، بل تغيّر أيضًا سلوك نقل الجزيئات والأيونات داخله.
وفي الأغشية التقليدية، يؤدي عادةً رفع تدفق الماء إلى تقليل رفض الأملاح أو إلى الحاجة لزيادة سماكة الغشاء لضمان الاستقرار. وعلى النقيض من ذلك، فإن الغشاء المطوّر في جامعة أميركبير، والذي يحتوي على 0.50% وزنيًا من بلورات السليلوز النانوية المحسّنة، يوفّر مسارات مزدوجة ومضبوطة لنقل الماء. وتلعب هذه المسارات الثنائية المتصلة دورًا حاسمًا في تنظيم انتقال الأيونات، كما أكدته التحاليل الكهروستاتيكية والفيزيائية.
كما تجعل هذه الشبكة الغشاء أكثر مقاومة لتقلّبات الضغط والأحمال الميكانيكية. وتتيح المتانة الميكانيكية المحسّنة تشغيل الغشاء تحت ضغوط أعلى دون فشل بنيوي، وهي ميزة بالغة الأهمية في عمليات تحلية المياه قليلة الملوحة التي تتطلب ضغوط تشغيل مرتفعة نسبيًا.
ولفهم سلوك هذه الشبكة بصورة أعمق، استخدم الباحثون اختبارات لزوجية مرنة خطية ولاخطية، أظهرت أنه عند التحميلات الأعلى، تنتقل بلورات السليلوز النانوية من حالة التشتت إلى شبكة مستقرة ومترابطة. كما بيّن تحليل معامل كفاءة التعزيز الميكانيكي (CFE) أن تحميل 0.50% وزنيًا يحقق أعلى تحسن في المتانة مقارنة بالبوليمر الأساسي، دون التسبب في تكتل مفرط أو انسداد مسارات النقل.
وبالإضافة إلى إثبات التحسن المتزامن في مؤشرات الأداء الثلاثة الرئيسية، تُظهر هذه الدراسة أنه من خلال هندسة حالة تشتت القضبان النانوية داخل البوليمر، يمكن تصميم مادة ذات سلوك شبيه بالمواد الفوقية، حيث لا تنشأ الخصائص فقط من مكوّنات المادة، بل من تنظيمها على مقياس النانو.
وبصورة عامة، تشير النتائج إلى أن الأغشية النانومركّبة المحتوية على 0.50% وزنيًا من بلورات السليلوز النانوية عالية النسبة الطولية تقدم أداءً مثاليًا في معالجة المياه قليلة الملوحة، ويمكن أن تشكل أساسًا لتطوير الجيل القادم من الأغشية الصناعية. وتبرز هذه الدراسة كيف يمكن للفهم العميق للبنى الشبكية النانوية أن يتجاوز القيود التقليدية ويقود إلى أغشية تحلية أكثر متانة وكفاءة واعتمادية.
وقد نُشرت نتائج هذا المشروع في مقال بعنوان “Does pervasive interconnected network of cellulose nanocrystals in nanocomposite membranes address simultaneous mechanical strength/water permeability/salt rejection improvement?” في مجلة Carbohydrate Polymers.