طور الباحثون طريقة سريعة وسهلة لتحويل المنتج الحيوي الخشبي اللجنين إلى جسيمات نانوية لإنشاء طبقات شفافة أو أسطح ملونة مضادة للانعكاس مع خصائص مضادة للضباب. يحول هذا الاكتشاف منتج النفايات الوفيرة إلى مادة مفيدة لها تطبيقات تتراوح من النظارات إلى نوافذ السيارات.
ومع التركيز الحالي على الاقتصاد الدائري وتغير المناخ، يعتبر اللجنين - المادة العضوية التي تربط الخلايا والألياف والحاويات في الخشب معًا - مصدرًا متجددًا واعدًا يمكن أن يحل محل المواد الأحفورية. لكن في الوقت الحالي، لا يتم استخدام هذا المنتج الثانوي لصناعة اللب والورق بشكل كامل، حيث يتم استخدام حوالي 98٪ منه للاحتراق للتدفئة أو توليد الطاقة.
إحدى العوائق التي تحول دون استخدام اللجنين هي أن تركيبه الجزيئي المعقد يجعل من الصعب تحلله. الآن، طور الباحثون في جامعة آلتو في فنلندا طريقة لتحويل اللجنين إلى طبقة شفافة ذات أساس حيوي ذات خصائص مضادة للضباب ومضادة للانعكاس.
تعتبر جسيمات اللجنين النانوية (LNPs) محبة للماء ومناسبة لإنشاء الأنسجة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات البصرية، خاصة تلك التي تتطلب خصائص مضادة للضباب. ومع ذلك، هناك مشكلة واحدة في تحقيق هذا الاستخدام وهي التغلب على عتامة الجسيمات، الأمر الذي يتطلب التحكم الدقيق في سمك الفيلم.
في الدراسة الحالية، نظر الباحثون في تقليل حجم LNPs للتغلب على مشكلة العتامة، حيث أن الجزيئات الأصغر تكون أقل عرضة للتعتيم وتشتيت الضوء بشكل متساوٍ.
وقال ألكسندر هين، المؤلف الأول للدراسة: "يجب أن تكون الطلاءات البصرية شفافة، ولكن حتى الآن كانت هناك أغشية رقيقة إلى حد ما من جزيئات اللجنين". "نحن نعلم أن الجسيمات الصغيرة تبدو أقل تعكرًا، لذلك أردت أن أرى ما إذا كان بإمكاننا صنع أفلام جسيمات غير مرئية عن طريق تقليل حجم الجسيمات إلى الحد الأدنى."
ولتقليل حجم الجسيمات، قام الباحثون بتعديل اللجنين كيميائيًا من خلال الأستيل، وهو تفاعل الأسترة الذي يُدخل مجموعات الأسيتيل الوظيفية إلى المركبات العضوية. باستخدام حمض الأسيتيك لتحفيز التفاعل - الذي يستغرق 10 دقائق فقط عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 140 درجة فهرنهايت (60 درجة مئوية) - أنتجت العملية تركيزات عالية من LNPs فائقة الصغر ذات خصائص غير متوقعة.
وقال هين: "إن جزيئات اللجنين التي صنعتها من اللجنين الأسيتيل كانت لها خصائص مدهشة للغاية، مما جعل أجزاء أخرى من هذا البحث مثيرة للاهتمام للغاية". "إن إمكانية صنع الأفلام الضوئية، على سبيل المثال، كانت غير متوقعة على الإطلاق."
سمح الحجم الصغير للجسيمات للباحثين بالتحكم في سمك الطبقات ومظهرها، بدءًا من الطبقات الفرعية الشفافة إلى الأفلام متعددة الطبقات، مما سمح لهم بالتحكم في لون وامتصاص الأطوال الموجية المختلفة للضوء.
ووجدوا أن الطلاءات الشفافة فائقة الرقة تقلل من تشتت الضوء الناتج عن قطرات الماء، وخلصوا إلى أن اللجنين الأسيتيل مناسب للاستخدام كطلاء مضاد للضباب على الأسطح الشفافة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تكثيف الطلاء واستخدام طبقات متعددة من الأغشية الرقيقة، يمكن للباحثين التحكم في لون الطلاء، مما يؤدي إلى اللون الأصفر والأزرق والبنفسجي الساطع. تتمتع هذه الطبقات السميكة أيضًا بخصائص ضوئية، مما يعني أنها تعكس الضوء.
يقول الباحثون إن سرعة وبساطة تفاعل الأستيلة وإنتاجها العالي يعني أنه يمكن توسيع نطاقها إلى المستويات الصناعية، مع فائدة إضافية تتمثل في كون اللجنين بمثابة مخزن للكربون.
قالت مونيكا أوستربيرج، أحد مؤلفي الدراسة: "قد تكون للمنتجات القائمة على اللجنين قيمة تجارية بينما تعمل أيضًا كمخزن للكربون، مما يساعد على تخفيف الاعتماد الحالي على الوقود الأحفوري وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. التطبيقات عالية القيمة مثل هذه مهمة لدفع قيمة اللجنين حتى لا نستخدم اللجنين كوقود فقط."
ونشر البحث في مجلة الهندسة الكيميائية.