ابتكار مستدام في الجرافين.. تصنيع نانوي صديق للبيئة يفتح آفاقًا صناعية جديدة

يُوصَف الجرافين غالبًا بأنه مادة خارقة، لما يتمتع به من قوة ميكانيكية عالية، وموصلية كهربائية وحرارية متميزة، إضافة إلى مرونته الكبيرة في التطبيقات المختلفة، ورغم أكثر من عقد من الاهتمام العلمي والصناعي، لا تزال العديد من تقنيات الجرافين حبيسة المختبرات، ولم تنجح بعد في الانتقال إلى نطاق التطبيق الواسع.

 

يتمثل أحد التحديات الرئيسية في أن الجرافين لا يذوب بسهولة في المذيبات الشائعة، ما يدفع الباحثين إلى استخدام عمليات تعديل كيميائي قاسية ومتعددة المراحل لجعله قابلًا للاستخدام. وغالبًا ما تكون هذه العمليات مكلفة بيئيًا.

 

ووفقا لباحثة تعمل عند تقاطع الكيمياء الخضراء وعلوم المواد النانوية، تقول إن سؤال جوهري ظل يراودها باستمرار: هل يمكن تصميم مواد متقدمة دون الاعتماد على عمليات تصنيع تفرض أعباء بيئية كبيرة؟

 

في دراستها الأخيرة المنشورة في دورية ACS Sustainable Chemistry & Engineering، استعرضت مع فريق البحث طريقة مبتكرة لإنتاج صفائح جرافين نانوية مطعَّمة بالنيتروجين باستخدام نهج ميكانيكي كيميائي خالٍ من المذيبات، مع الاعتماد على مصادر حيوية، ما يفتح مسارًا أكثر استدامة لتطوير مواد الجرافين الوظيفية.

 

لماذا يمثل تعديل الجرافين تحديًا؟

 

يمتلك الجرافين الخام خصائص مدهشة، غير أن تطبيقاته المتقدمة، مثل الطلاءات الذكية، والبوليمرات ذاتية الالتئام، والمواد المركبة الموصلة، تتطلب تعديله كيميائيًا لتحسين قابليته للتشتت داخل المذيبات أو المصفوفات البوليمرية.

ويُعد التطعيم بالنيتروجين من أكثر الاستراتيجيات شيوعًا، إذ يُغيّر البنية الإلكترونية للجرافين ويُحسّن تفاعله مع المواد المحيطة.

 

لكن الطرق التقليدية لتطعيم الجرافين بالنيتروجين تعاني من مشكلات واضحة، من بينها:

 

• الاعتماد على مواد نيتروجينية سامة

 

• خطوات تنقية قاسية تشمل الغسل بالأحماض

 

• عمليات تسخين لاحقة عند درجات حرارة مرتفعة تتجاوز 600 درجة مئوية

 

• تعدد المراحل وما يصاحبه من نفايات كيميائية كبيرة

 

ورغم قدرتها على إنتاج مواد عالية الجودة، فإن البصمة البيئية لهذه الطرق أصبحت محل تساؤل، خاصة في ظل تزايد الاهتمام العالمي بالاستدامة.

 

بديل بلا مذيبات.. الكيمياء الميكانيكية

 

اعتمد فريق البحث على الكيمياء الميكانيكية، وهي تقنية تستخدم قوى ميكانيكية مثل القص والاحتكاك والصدمات لتحفيز التفاعلات الكيميائية، وقد حظيت هذه التقنية باهتمام متزايد في مجال الكيمياء الخضراء لقدرتها على تقليل استهلاك الطاقة والاستغناء عن المذيبات وتبسيط عمليات التصنيع والتوسع الصناعي.

 

باستخدام عملية الطحن الكروي، جرى تعديل الجرافيت مباشرة بمصدر نيتروجين حيوي مشتق من الأحماض الأمينية، في ظروف محيطة ودون تسخين أو مذيبات. وأسهمت القوى الميكانيكية في كسر الروابط الكيميائية وإعادة تشكيلها في الحالة الصلبة.

 

وأثمرت هذه الطريقة عن إنتاج صفائح جرافين نانوية مطعَّمة بالنيتروجين دون استخدام مذيبات أو مواد سامة أو أجواء تفاعلية معقدة، مع الجمع بين موصلية كهربائية مرتفعة وقابلية جيدة للتشتت، وهما من أبرز التحديات في معالجة الجرافين.

 

قياس الاستدامة إلى جانب الأداء

 

لم يقتصر تقييم العملية على خصائص المادة النهائية، بل شمل أيضًا طريقة التصنيع نفسها، من خلال معايير نوعية مستمدة من مبادئ الكيمياء الخضراء، ومؤشرات كمية مثل عامل النفايات (E-factor) واستهلاك الطاقة.

 

وحققت العملية عائدًا ماديًا مرتفعًا بلغ نحو 80%، وهو رقم لافت في عمليات التخليق بالحالة الصلبة، كما أظهرت انخفاضًا كبيرًا في عامل النفايات مقارنة بالطرق التقليدية لتعديل الجرافين، وأسهم الاستغناء عن المذيبات وعمليات التسخين اللاحقة في خفض استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ.

 

ما الذي يميز الجرافين المطعَّم بالنيتروجين؟

 

تندمج ذرات النيتروجين داخل شبكة الجرافين بطرق مختلفة، ما يُحدث تغيرات دقيقة في حركة الإلكترونات، ويعزز التوصيل الكهربائي والنشاط الكيميائي والتفاعل مع البوليمرات، وقد حافظت المواد المنتَجة في هذه الدراسة على جودة بنيوية عالية، مع اكتساب مزايا وظيفية إضافية.

 

وعند استخدامها كمواد مالئة نانوية، أظهرت صفائح الجرافين المطعَّمة بالنيتروجين قدرة كبيرة على تحسين الخواص الكهربائية والحرارية والميكانيكية للمواد المركبة.

 

مواد أذكى وقابلة للإصلاح

 

من أبرز نتائج الدراسة توافق هذه الصفائح مع مواد «الفيتريمر»، وهي فئة من البوليمرات تجمع بين متانة اللدائن المتصلدة وقابلية إعادة المعالجة التي تتميز بها اللدائن الحرارية.

وأسهم دمج الجرافين المطعَّم بالنيتروجين في تمكين خاصية الالتئام الذاتي المحفَّز كهربائيًا، وتحسين المتانة والتوصيل، مع الحفاظ على استقرار البنية الشبكية للمادة.

 

أهمية تتجاوز الجرافين

 

تعكس هذه الدراسة توجهًا أوسع نحو إعادة التفكير في طرق تصنيع المواد المتقدمة، التي ما زال كثير منها يعتمد على تقنيات قديمة لا تضع الأثر البيئي في الاعتبار، وتُظهر الاستراتيجيات الميكانيكية الخالية من المذيبات إمكانية تطوير مسارات إنتاج أكثر توافقًا مع متطلبات الصناعة الحديثة والاستدامة البيئية.