مفاجأة علمية.. كيميائيون يبتكرون بلاستيك مرن وقوي وقابل للتحلل بسهولة

في خطوة جديدة نحو مستقبل خالٍ من التلوث البلاستيكي، أعلن فريق بحثي من جامعة واشنطن في سانت لويس عن تطوير مادة بلاستيكية حيوية مبتكرة، سميت “ليف”، وهي مستوحاة من التركيب الطبيعي للورقة النباتية.

وبحسب الدراسة التي نشرها الباحثون في دورية “نيتشر كوميونيكيشنز”، تتميز هذه المادة بقدرتها على التحلل الكامل في درجة حرارة الغرفة، من دون الحاجة إلى مرافق صناعية خاصة، وهذا يجعلها مرشحة قوية لاستبدال البلاستيك التقليدي في الصناعات الغذائية والتعبئة.

أزمة البلاستيك

وينتج العالم أكثر 400 مليون طن من البلاستيك، أكثر من 50% من هذا البلاستيك يُستخدم مرة واحدة فقط ثم يرمى، علما أن 9% من نفايات البلاستيك عالميا يعاد تدويرها فعليا، بينما يُحرَق نحو 19%، ويترك الباقي في الطبيعة أو يُطمر في مكبّات النفايات.

على الجانب الآخر، بعض أشهر أنواع البلاستيك تستغرق أكثر من 400 سنة لتتحلل بالكامل، وهذا يعني أن معظم البلاستيك الذي استُخدم منذ منتصف القرن الـ20 ما زال موجودا في مكان ما على الكوكب.

هذه الأرقام تكشف أن البلاستيك ليس مجرد مادة نستخدمها، بل أزمة بيئية متراكمة تهدد الكوكب بأكمله، وتحتاج إلى حلول ذكية مثل “ليف”، والذي استلهمت فكرته من بنية الورقة النباتية، التي تتكوّن من طبقات دقيقة منظمة، تجمع بين المرونة والقوة وسهولة التحلل في الطبيعة.

3 طبقات من الكيمياء المعقدة

على نفس النمط، قام الباحثون بتطوير مادة بلاستيكية مكونة من 3 طبقات: طبقتان خارجيتان من البلاستيك الحيوي القابل للتحلّل، وهو نوع من البلاستيك يُصنَع من مصادر طبيعية متجددة، مثل الذرة وقصب السكر والبطاطس أو حتى البكتيريا، وهو يختلف عن البلاستيك التقليدي المصنوع من النفط ومشتقاته.

وبشكل خاص استخدم العلماء مواد مثل حمض البولي لاكتيك (يُستخرج من مصادر نباتية مثل الذرة أو قصب السكر) وبولي هيدروكسي بيوتيرات (يُنتج من تخمير السكريات بواسطة بكتيريا معينة).

بعد ذلك، أضاف العلماء طبقة وسطى من ألياف نانوية من السليلوز، مأخوذة من مصادر نباتية، توفر دعامة ميكانيكية وتقوي من خصائص المادة، بحسب الدراسة.

ألياف السليلوز النانوية هي خيوط دقيقة مصنوعة من السليلوز النباتي، وفي العادة يكون قطرها 5–20 نانومترا وطولها يمتد لعدة ميكرومترات، ما يمنحها نسبة طول إلى عرض عالية جدا.

تستخرج هذه الألياف من السليلوز الطبيعي، مثل لب الأشجار أو المخلفات الزراعية، باستخدام عمليات ميكانيكية قوية مثل الطحن أو التحبيب أو التسييل عالي الضغط، وأحيانا تُستخدم معالجة كيميائية مسبقة لتقليل استهلاك الطاقة وتحسين النقاء.

هذه الألياف صلبة للغاية، مقاومة قدرتها على الشد أقوى من الألياف الزجاجية والعديد من البلاستيكات، كما أنها خفيفة الوزن، وشفافة تقريبا، وشديدة الالتصاق بعضها ببعض بخيوط هيدروجينية.

التخلص من قيود البلاستيك الحيوي

وبحسب الدراسة، كانت النتيجة من تلك الطبقات الكيميائية المعقدة مادة تجمع بين الصلابة والمتانة والقابلية للتحلل الكامل في ظروف بيئية بسيطة، والقدرة على الاحتفاظ بالطباعة والألوان من دون الحاجة إلى ملصقات.

كما أن ليف يتيح للعلماء تجاوز بعض قيود البلاستيك الحيوي، بعض الأنواع مثل حمض البولي لاكتيك لا تتحلل في البيئة الطبيعية بسهولة، بل تحتاج إلى منشآت صناعية خاصة بدرجات حرارة ورطوبة محددة، وفي حال رُميت في الطبيعة أو دفنت في مكب، قد تبقى لسنوات طويلة مثل البلاستيك التقليدي.

أضف لذلك أن البلاستيك الحيوي غالبا ما يكون أغلى من البلاستيك التقليدي، وبعض أنواعه أقل مقاومة للحرارة أو الرطوبة أو الضغط مقارنة بالبلاستيك البترولي، ولا يصلح دائما لتطبيقات تحتاج قوة ميكانيكية أو مرونة عالية (مثل أجزاء السيارات أو الإلكترونيات الثقيلة).

نهج جديد

وبحسب الدراسة، فإن الاختبارات أشارت إلى أن “ليف” كان أقوى من معظم أنواع البلاستيك البترولي الشائع، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، من حيث مقاومة الشد والانثناء.

إلى جانب ذلك، ظهر أن المادة البلاستيكية الجديدة تمنع تسرب الرطوبة والغازات، مما يجعلها مثالية لتغليف المواد الغذائية والمنتجات الحساسة.

والأهم من ذلك، أن هذه المادة لا تحتاج إلى حرارة عالية أو ظروف صناعية خاصة للتحلل، بل يمكنها أن تتحلل طبيعيا خلال أسابيع، في درجة حرارة الغرفة.

ويرى الباحثون أن فكرة أن تنتج عبوات قابلة للتحلل من دون التضحية بالقوة أو الأداء، كما تتيح الطباعة المباشرة على سطحها دون ملصقات، قد تغير قواعد اللعبة في عالم كيمياء البلاستيك.

ويقول الباحثون كذلك إن هذا الابتكار قد يكون نواة لنهج جديد في تصميم المواد، يعتمد على محاكاة الطبيعة لاختراع حلول صناعية قابلة للتحلل والتكامل البيئي، دون التأثير على الأداء أو الجودة.