نشر العلماء مؤخرا دراسة في مجلة "Nature Communications" تقول إن فريقا من جامعة رايس وجامعة هيوستن في الولايات المتحدة حققوا محاذاة اتجاهية للألياف أثناء إنتاج السليلوز البكتيري من خلال عملية بسيطة وقابلة للتطوير، مما أدى إلى إنتاج مادة حيوية ذات قوة عالية وتعدد الاستخدامات، والتي تعتبر واعدة لتحل محل بعض المواد البلاستيكية التقليدية.
لقد كان التلوث البلاستيكي مشكلة عالمية منذ فترة طويلة. تتحلل البوليمرات الاصطناعية الشائعة إلى جزيئات بلاستيكية صغيرة في البيئة وتطلق مواد كيميائية ضارة مثل ثنائي الفينول أ (BPA) والفثالات وبعض المواد المسرطنة. ولتحقيق هذه الغاية، وجه الفريق البحثي برئاسة محمد مقصود الرحمن اهتمامه إلى البوليمر الحيوي الطبيعي السليلوز البكتيري، الغني بالمصادر، عالي النقاء وقابل للتحلل.
وقد أشارت الدراسات إلى أن السليلوز البكتيري نفسه يتكون من ألياف نانوية الحجم وله أساس ميكانيكي ممتاز. ومع ذلك، نظرًا للاتجاه المضطرب للألياف أثناء عملية النمو الطبيعي، لم يتم تنفيذ الأداء العام بشكل كامل. بالإضافة إلى ذلك، عندما يتم إدخال مواد حشو نانوية أخرى في هذه الشبكة الكثيفة ثلاثية الأبعاد، فإنها تواجه أيضًا صعوبات في التشتت والاختراق، مما يحد من توسيع وظائف المادة. لحل المشاكل المذكورة أعلاه، صمم الفريق مفاعلًا حيويًا دوارًا يستخدم حركة السوائل لتوجيه اتجاه حركة البكتيريا المنتجة للسليلوز بحيث "تضطر إلى الاصطفاف" أثناء عملية النمو، وبالتالي تحقيق نمو الألياف الاتجاهي.
M.A.S.R. قال سعدي، المؤلف الأول للورقة البحثية وطالب الدكتوراه في جامعة رايس، إن هذه الطريقة تعادل "تدريب فريق منضبط من البكتيريا"، مما يسمح للبكتيريا التي تسبح بشكل عشوائي في الأصل بالتحرك في اتجاه محدد، وإنتاج السليلوز بشكل اتجاهي في هذه العملية. من خلال استراتيجية التخليق الحيوي الديناميكي هذه، تتمتع صفائح السليلوز البكتيرية الموجهة التي أنتجها الباحثون بقوة شد تبلغ حوالي 436 ميجا باسكال، وهي قابلة للمقارنة بقوة بعض المعادن والزجاج. كما أنها مرنة وقابلة للطي وشفافة وصديقة للبيئة.
وفي تجارب أخرى، أضاف الفريق صفائح نانوية من نيتريد البورون سداسية الشكل مباشرة إلى محلول المغذيات الخاص بالثقافة البكتيرية، مما يسمح بدمجها في شبكة السليلوز في الموقع أثناء عملية التخليق. تمت زيادة قوة الشد لهذه المادة المركبة إلى حد أقصى يبلغ 553 ميجا باسكال، كما تم تحسين أدائها الحراري بشكل ملحوظ. تبلغ الموصلية الحرارية حوالي ثلاثة أضعاف تلك الموجودة في عينة التحكم، مما يساعد على تبديد الحرارة بسرعة. وأكد الباحثون أن هذه الطريقة توفر الراحة "للتكامل السفلي" لإضافات النانو المتعددة خلال مرحلة إنتاج المواد، ويمكنها تخصيص الخصائص الميكانيكية والحرارية وغيرها وفقًا لمتطلبات التطبيق.
يعتقد الفريق أن مسار التحضير ذو الخطوة الواحدة من القاعدة إلى القمة لديه القدرة على التوسع الصناعي. وبفضل تبسيط العملية والمجموعة الواسعة من مصادر المواد، من المتوقع أن يتم تطبيقها في مجالات التعبئة والتغليف والمنسوجات والمواد الإنشائية والإدارة الحرارية والأجهزة الإلكترونية الخضراء وتخزين الطاقة في المستقبل. وأشار رحمن إلى أن هذا العمل يوضح قوة الأبحاث متعددة التخصصات في علوم المواد والبيولوجيا وهندسة النانو، مع الهدف النهائي المتمثل في السماح لصفيحة السليلوز البكتيرية القوية والمتعددة الوظائف والصديقة للبيئة باستبدال بعض المواد البلاستيكية في سيناريوهات مختلفة وتقليل الأضرار البيئية.
وخلص فريق البحث إلى أنه من خلال حل المشاكل طويلة الأمد المتعلقة بتوجيه الألياف وانتشار الحشو التي ابتليت بها السليلوز البكتيري، تفتح هذه العملية الباب أمام مواد هندسية عالية الأداء لهذا البوليمر الحيوي الطبيعي. وهم يعتقدون أن هذه المادة الحيوية القابلة للتحلل الحيوي وقابلة لتعديل الأداء توفر طريقًا واقعيًا لتقليل الاعتماد على المواد البلاستيكية التقليدية، كما أنها تجلب خيالًا تكنولوجيًا جديدًا لمكافحة التلوث البلاستيكي العالمي.