علماء جامعة أوساكا يطورون مواد عاكسة قابلة للتحلل البيولوجي مصنوعة من الجيلاتين والألياف النباتية

من المعروف أن الكائنات الحية يمكن أن تخلق مواد تتحكم في الضوء، مثل أجنحة الفراشات المتغيرة الألوان أو اللؤلؤ. علماء جامعة أوساكا لم يكتفوا بإعادة إنتاج هذه الظواهر البصرية الطبيعية، بل يسعون لتطوير بدائل مستدامة وغير سامة لتلبية متطلبات الأداء العاكس التجاري للمنتجات الفاخرة، وهذه البدائل مصنوعة من مواد نباتية شائعة. تم نشر أبحاثهم في مجلة Advanced Materials، حيث وصفوا طريقة تصنيع تجمع بين الجيلاتين المستخرج من الفواكه، والذي يستخدم عادة كمكثف في الأطعمة، مع ألياف السليلوز النانوية المستخرجة من جدران الخلايا النباتية.

كانت الأعمال السابقة المتعلقة بطبقات العكس الاصطناعية تتضمن استخدام مشتقات النفط والمعادن المستخرجة من الأرض كمواد أساسية. على الرغم من تحقيق بعض التقدم في استخدام مواد طبيعية مثل السائل البلوري، إلا أن هذه المركبات لا تمتلك البنية التي تسمح بالتحكم الدقيق في الضوء. المواد المركبة الطبيعية لها اختلافات منخفضة في الانكسار، كما أن طرق المعالجة القياسية مثل التجفيف قد تدمر الهيكل الداخلي.

طريقة تصنيع المادة الجديدة

لتجنب انهيار الهيكل، قام المؤلف الرئيسي تاكاومي كاسوجي، والمؤلف الرئيسي ماسايا نوجي وفريقهم بتصميم طريقة معالجة تستخدم الجيلاتين المجفف غير القابل للانكماش - الجيلاتين الجاف - لإنشاء شبكة بصرية قوية ومتعددة المسام. استخدم العلماء عملية ترسيب كهربائي لترسيب 100 طبقة من الجيلاتين وألياف السليلوز النانوية بالتناوب. التفاعل بين البوليمرات الحيوية الطبيعية والحقل الكهربائي أنشأ منطقة كثيفة ومتعددة المسام بالتناوب، مع خصائص بصرية متباينة. قال نوجي: "تتمتع هذه الطبقات المتناوبة بخصائص بصرية مختلفة للغاية، مما يؤدي إلى فرق كبير بينهما وبالتالي إلى معدل عكس مرتفع للغاية في المنتج النهائي."

أكدت الاختبارات البصرية أن هذه المادة المركبة تعكس أكثر من 95% من الضوء عبر أطوال موجية متعددة، بما في ذلك الطيف المرئي وغير المرئي. بالمقارنة، فإن القشرة المتغيرة الألوان لخنفساء الجواهر تعكس 30% فقط من الضوء.

الخصائص البيئية والتطبيقات

تقدم الأغشية النباتية حلاً للتحديات البيئية التي تواجهها الطلاءات العاكسة التقليدية والأجهزة الإلكترونية. اكتشف الباحثون من خلال تغيير التركيبة الكيميائية للبوليمر الأساسي أن هذه الطبقات ذات المصدر الطبيعي يمكن أن تتحلل بيولوجيًا بنسبة 80% في غضون شهرين فقط، مما يتماشى مع المعايير الصناعية الدولية. تفتح المرونة البصرية لهذه المادة آفاقًا للاستخدام الفوري، حيث يمكن أن تعمل بشكل فعال كزجاج موفر للطاقة للنوافذ. يمكن أن تعكس هذه الأغشية الإشعاع الحراري القريب من الأشعة تحت الحمراء، وتظل شفافة تمامًا في الطيف المرئي. يعمل هذا الزجاج كحاجز حراري، حيث يعكس الإشعاع الحراري للشمس للحفاظ على برودة الداخل خلال فترات الحرارة. يمكن أيضًا استخدام هذه المادة في العروض الزخرفية المستدامة، وأجهزة الاستشعار البصرية، وتقنيات مكافحة التزوير.

إمكانات تأثير المادة الجديدة على البيئة

تظهر هذه الدراسة إمكانيات استخدام المواد النباتية لتطوير منتجات بصرية عالية الأداء، خاصة من الناحية البيئية. مع تزايد الطلب العالمي على المواد المستدامة، فإن هذه المادة العاكسة القابلة للتحلل البيولوجي لا تقلل فقط من تأثيرها على البيئة، بل تقدم أيضًا حلولًا فعالة في مجالات متعددة. إن تطبيقها في الزجاج الموفر للطاقة وأجهزة الاستشعار البصرية يظهر الإمكانيات الواسعة لهذه المادة في السوق المستقبلية، وقد يقود إلى موجة جديدة من الابتكارات في التكنولوجيا الخضراء.