قام فريق بحث من جامعة RMIT في ملبورن، أستراليا، بتطوير تقنية طلاء جديدة تستخدم موجات صوتية عالية التردد لتفتيت السوائل إلى قطرات هباء بحجم ميكرون، وتشكيل "طبقة واقية غير مرئية" موحدة وكثيفة على الأسطح الدقيقة المختلفة دون تسخين أو إتلاف الركيزة. طبق الباحثون هذه الطريقة على أوراق نبات بوثوس (Epipremnum aureum) الشائع في الأماكن المغلقة لأول مرة، مما أدى إلى حجب الأشعة فوق البنفسجية الضارة بشكل فعال دون التأثير على عملية التمثيل الضوئي، مما يدل بشكل واضح على قدرتها اللطيفة والفعالة للغاية على حماية "الكائنات الحية الهشة".
جوهر هذا العمل هو استخدام تقنية الموائع الدقيقة الصوتية (acoustomicrofluidics) للتحكم في المادة السائلة بحيث يتم تمديدها و"تكسيرها" على سطح شريحة صغيرة يمكنها توليد موجات صوتية عالية التردد تبلغ حوالي 10 ميجاهرتز، مما يشكل سحابة هباء دقيقة. عندما تطير هذه القطرات عبر الهواء وتترسب على سطح مستهدف، فإنها تتجمع ذاتيًا لتشكل نوعًا من المواد الإطارية العضوية التساهمية (COFs)، وتشكل طبقة واقية يبلغ سمكها ميكرونات فقط ولكن لها بنية مستمرة ووظائف محددة جيدًا. يمكن إكمال عملية "الانحلال + تكوين الفيلم" المتكاملة هذه في درجة حرارة الغرفة والضغط في الهواء الطلق. لا يتطلب درجات حرارة عالية أو تفاعلات طويلة الأمد أو بيئات معملية صارمة شائعة الاستخدام في عمليات الطلاء التقليدية، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات المواد والبيئة.
الأطر العضوية التساهمية هي نوع من المواد شديدة المسامية وذات ترتيب بلوري، وغالبًا ما توصف بأنها "سقالات جزيئية" ذات ثقوب نانوية الحجم. يمكن تصميمها هيكليًا لتحقيق وظائف متعددة مثل امتصاص الضوء أو التقاط مواد كيميائية معينة أو حماية الأسطح. ومع ذلك، في التطبيقات السابقة، كانت عملية بناء COFs "صعبة الإرضاء" للغاية: فهي تتطلب عادةً سلائف للتفاعل عند درجات حرارة عالية لفترة طويلة، وتكون العملية معقدة والظروف قاسية. من الصعب توسيع نطاقه وغير مناسب للاستخدام على ركائز حساسة مثل أوراق النباتات والأغشية المرنة. وأشار فريق البحث إلى أنه في العمليات التقليدية، غالبًا ما يكون من الضروري اتخاذ خيار صعب بين "الحفاظ على الهيكل المنظم للمادة" و"تجنب تلف السطح المطلي"، وتوفر منصة الانحلال الصوتي طريقة جديدة لكسر هذه المعضلة.
في هذه التجربة، استخدم الباحثون أوراق النباتات كأشياء اختبار للتحقق من أداء الطلاء على الأسطح البيولوجية الحقيقية: يمكن لطبقة COFs أن تمتص بشكل انتقائي الأشعة فوق البنفسجية الضارة مع السماح للضوء المرئي بالمرور بحرية، مما يسمح للنباتات بمواصلة عملية التمثيل الضوئي. وأظهرت التجربة أنه خلال عملية الطلاء بأكملها، والأشعة فوق البنفسجية وإزالة الطلاء اللاحقة، لم تظهر الأوراق أي علامات واضحة للتلف خلال فترة الاختبار (60 يومًا)، مما يسلط الضوء على التوازن بين التأثير الوقائي والتوافق الحيوي لـ "رذاذ الحماية من الشمس الصوتي". يعتبر فريق البحث هذا "دليلًا على المفهوم" ويعتقد أن هذه المنصة لديها القدرة على الترويج لها وتطبيقها في واجهات وأجهزة وأنظمة بيولوجية أكثر واقعية.
من حيث المسار التقني، تعتمد منصة الموائع الدقيقة الصوتية تصميمًا على مستوى الرقاقة، وهو صغير الحجم وخفيف الوزن. مبدأ العمل هو تمديد وتقسيم السائل الأولي الذي يتدفق من خلاله بشكل مستمر إلى قطرات دقيقة مستقرة من خلال اهتزازات صوتية فائقة التردد تتولد على سطح الشريحة. عند ترسبها على مجموعة متنوعة من الأسطح، تتيح قطرات الرذاذ هذه ترسيب طلاء لطيف وشديد التحكم، حتى على الأنسجة الرخوة الرقيقة مثل المناشف الورقية. وأكد الباحثون أن هذه الطريقة تجمع بين "التصنيع" و"الطلاء" في خطوة واحدة، ولا تتطلب تسخينًا إضافيًا أو مراقبة بيئية معقدة، ولها مزايا واضحة من حيث تبسيط العملية ونطاق التطبيق.
فيما يتعلق بآفاق التطبيق، يولي فريق البحث المزيد من الاهتمام للاستخدامات المحتملة لطلاءات COFs في المواد الحساسة للغاية وأجهزة الجيل الجديد، بما في ذلك المنسوجات والبلاستيك والزجاج والأجهزة الإلكترونية القائمة على السيليكون، وما إلى ذلك. العديد من المنتجات الإلكترونية الجديدة وأجهزة الاستشعار والمواد الغشائية حساسة للغاية لدرجة الحرارة ولا يمكنها تحمل عمليات الطلاء التقليدية. ومع ذلك، فهي بحاجة ماسة إلى طبقات حماية السطح لمقاومة الضوء أو التآكل أو الهجوم الكيميائي. تعمل تقنية الانحلال الصوتي على سد هذه الفجوة في العملية. وأشار العلماء المشاركون في الدراسة إلى أن هذه الطريقة توسع بشكل كبير إمكانية استخدام COFs من المواد المختبرية إلى التطبيقات العملية، مما يفتح وضعًا جديدًا لنشرها في حماية البيئة والطلاءات الوظيفية والتكنولوجيا الحيوية.
فيما يتعلق بقابلية التوسع، يعتقد فريق البحث أن هذه المنصة الصوتية على مستوى الرقاقة مناسبة جدًا للتكامل مع الأنظمة غير المأهولة لأداء مهام رش محسنة على مساحة كبيرة. وبفضل تصغير الجهاز وخصائصه المنخفضة التكلفة، يمكن تثبيت المنصة على طائرات بدون طيار أو مركبات ذاتية التحكم لتغطية المحاصيل أو أوراق الغابات بدقة، وتحقيق "حماية من أشعة الشمس في نقطة ثابتة" على نطاق واسع أو أي رش وظيفي آخر في البيئات الخارجية. وإلى جانب مزايا الإنتاج واسع النطاق الذي يوفره التصنيع النانوي، يتوقع الباحثون أن يتم نشر هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية والهندسة البيئية المستقبلية.
حاليًا، قدمت هذه التقنية طلب براءة اختراع مؤقتًا في أستراليا، وتم نشر الأوراق البحثية ذات الصلة في المجلة الأكاديمية "Science Advances". وذكر فريق البحث أنهم سيواصلون تقييم ثبات ومتانة الطلاء في ظل ظروف التعرض طويلة الأمد في البيئة الطبيعية، واستكشاف حلولها العملية في حماية الأجهزة الإلكترونية، والأفلام الواقية الكيميائية، وغيرها من الواجهات الحساسة. في حين أن الأسئلة المتعلقة بقابلية الطقس الخارجي لا تزال بحاجة إلى إجابة، فقد أظهرت هذه الطريقة الجديدة لتصنيع وترسيب الطلاءات التي تعتمد على الموجات الصوتية إمكانية تعطيل نماذج العمليات الحالية.