طور المهندسون طلاءًا جديدًا غير لاصق يمكنه أخيرًا منافسة مادة التيفلون دون استخدام "المواد الكيميائية الأبدية" الخطيرة التي أثارت إنذارات صحية. من خلال الجمع بين شعيرات السيليكون مع أصغر جزيئات PFAS ممكنة، أنشأ فريق البحث سطحًا يقاوم الماء والزيت بنفس فعالية الطلاءات التقليدية.
ابتكر الباحثون في كلية العلوم التطبيقية والهندسة بجامعة تورنتو مادة جديدة يمكن أن توفر بديلاً أكثر أمانًا للطلاءات غير اللاصقة المستخدمة على نطاق واسع في أواني الطهي وغيرها من العناصر اليومية.
يطرد هذا المنتج المبتكر الماء والزيت بنفس فعالية العديد من الأسطح القياسية غير اللاصقة، ولكن بمستويات أقل بكثير من المواد البيرفلوروالكيل والبولي فلورو ألكيل (PFAS). PFAS هي فئة من المواد الكيميائية المرتبطة بالمخاوف البيئية والصحية.
قال البروفيسور كيفين جولوفين (MIE)، مدير مختبر المواد الهندسية المتقدمة المقاومة للماء (DREAM) في كلية الهندسة بجامعة تورنتو: "لقد عمل مجتمع البحث منذ فترة طويلة على تطوير بدائل أكثر أمانًا لـ PFAS".
"يكمن التحدي في أنه في حين أنه من السهل صنع مادة تطرد الماء، فمن الصعب صنع مادة تطرد الزيت والشحوم بنفس الدرجة. لقد وصل العلماء إلى الحد الأعلى لأداء هذه المواد البديلة."
تم طرح مادة التفلون (بولي تترافلوروإيثيلين، أو PTFE) لأول مرة في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، وهي معروفة بمقاومتها الممتازة للماء والزيوت والشحوم. ينتمي التيفلون إلى عائلة PFAS.
تتكون جزيئات PFAS من ذرات الكربون المرتبطة بذرات الفلور المتعددة. تعتبر روابط الكربون والفلور هذه مستقرة للغاية، وهذا الاستقرار هو الذي يمنح PFAS خصائصه القوية غير اللاصقة.
نفس الاستقرار الكيميائي أيضًا يجعل PFAS مقاومًا لعمليات التحلل الطبيعية. هذا الثبات في البيئة أكسبها لقب "الكيميائية إلى الأبد". بالإضافة إلى ثباتها، تتراكم PFAS في الأنسجة البيولوجية وتزداد تركيزاتها مع انتقالها إلى أعلى السلسلة الغذائية.
ربطت دراسات متعددة التعرض لمستويات عالية من PFAS بأنواع معينة من السرطان والعيوب الخلقية وغيرها من المشكلات الصحية، وتعتبر PFAS طويلة السلسلة بشكل عام أكثر ضررًا من PFAS ذات السلسلة القصيرة.
على الرغم من المخاطر، تظل مادة PFAS موجودة في كل مكان في المنتجات الاستهلاكية بسبب نقص البدائل: فهي لا تستخدم على نطاق واسع في تجهيزات المطابخ فحسب، بل أيضًا في الأقمشة المقاومة للمطر، وتغليف المواد الغذائية، وحتى مستحضرات التجميل.
وقال جولوفين: "إن المادة التي كنا نعمل عليها لاستبدال PFAS تسمى polydimethylsiloxane، أو PDMS".
غالبًا ما يتم بيع PDMS على شكل سيليكون، واعتمادًا على تركيبته، يمكن أن يكون متوافقًا حيويًا للغاية - في الواقع، غالبًا ما يستخدم في الأجهزة المزروعة في الجسم. لكن حتى الآن، لم نتمكن من جعل PDMS يعمل على مستوى PFAS.
لحل هذه المشكلة، قام طالب الدكتوراه في معهد MIE، صامويل أو، بتطوير تقنية كيميائية جديدة أطلق عليها الفريق اسم القذف النانوي. تم نشر هذه التقنية في مجلة Nature Communications.
وقال أو: "على عكس السيليكون النموذجي، فإننا نربط سلاسل قصيرة من PDMS بالركيزة، ويمكنك التفكير فيها مثل شعيرات الفرشاة".
ولتحسين قدرتها على صد الزيت، أضفنا الآن أقصر جزيء PFAS، والذي يتكون من ذرة كربون واحدة وثلاث ذرات فلور. لقد تمكنا من ربط ما يقرب من سبعة من هذه الجزيئات بنهاية كل شعيرات PDMS.
"إذا أمكنك تقليصها إلى مقياس النانو، فإنها ستبدو قليلاً مثل الريش حول Nock، وهو الشق الموجود في القوس. وهذا ما يسمى القذف، لذا فهو القذف على المستوى النانوي."
قام Au وفريقه بتطبيق مادتهم الجديدة على قطعة من القماش، ثم قاموا بإسقاط زيوت مختلفة عليها لمعرفة مدى قدرتها على صد الزيت. يصل الطلاء الجديد إلى المستوى 6 وفقًا لمعايير تصنيف طارد الزيت التي وضعتها الجمعية الأمريكية لكيميائيي المنسوجات والملونين، والتي تشبه العديد من الطلاءات القياسية المعتمدة على PFAS.
وقال جولوفين: "بينما نستخدم جزيء PFAS في هذه العملية، فهو أقصر جزيء وبالتالي لا يتراكم في الكائنات الحية".
"ما نراه في الأدبيات، وحتى اللوائح، هو أن أول ما تم حظره هو PFAS طويل السلسلة، في حين أن PFAS قصير السلسلة يعتبر أقل ضررًا بكثير. تؤدي مادتنا الهجينة نفس أداء PFAS طويل السلسلة، ولكن مع مخاطر أقل بكثير."
وقال جولوفين إن الفريق منفتح على العمل مع الشركات المصنعة للطلاء غير اللاصق والمهتمة بتوسيع نطاق منتجاتها وتسويقها تجاريًا. وفي غضون ذلك، سيواصلون البحث عن المزيد من البدائل.
وقال جولوفين: "إن الهدف النهائي في هذا المجال هو مادة ذات أداء أفضل من التيفلون ولكنها خالية تمامًا من PFAS".
"لم نصل إلى هذه النقطة بعد، لكنها خطوة مهمة في الاتجاه الصحيح."
تم تجميعها من / scitechdaily