أغشية أكسيد الجرافين تكشف عن سلوك غير عادي للمياه على المقياس النانوي – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Graphene oxide membranes reveal unusual behaviour of water at the nanoscale
(Ben Knight, University of New South Wales – بقلم: بن نايت، جامعة نيو ساوث ويلز)

ملخص المقالة:

يتكون أكسيد الجرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبطة بذرات الأكسجين والهيدروجين، وهو مادة واعدة لتنقية المياه وتخزين الطاقة وانتاج الهيدروجين، حيث اكتشف باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني وجامعة دويسبورغ إيسن (ألمانيا) وجانيل (فرنسا) ومعهد تويوتا التكنولوجي (اليابان) أن أغشية أكسيد الجرافين رغم وجود المسامات لا تسمح بمرور المزيد من السائل. ويعود السبب الى البيئة الكيميائية لهذه المادة والتوتر السطحي للسائل اللذان يلعبان دورًا مهمًا بشكل مدهش في النفاذية.

( المقالة )

هل المزيد من المسامات في منخل تسمح بمرور المزيد من السائل من خلاله؟ كما كشف علماء المواد، فإن هذا السؤال الذي يبدو بسيطًا قد يكون له إجابة غير متوقعة على المستوى النانوي – وقد يكون له آثار مهمة في تطوير تنقية المياه وتخزين الطاقة وإنتاج الهيدروجين.

فقد اكتشف باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني وجامعة دويسبورغ إيسن (ألمانيا) وجانيل (فرنسا) ومعهد تويوتا التكنولوجي (اليابان) الذين جربوا أغشية أكسيد الجرافين أن العكس يمكن أن يحدث على مستوى النانو. ويُظهر البحث العلمي، الذي نُشر في مجلة “رسائل النانو” (Nano Letters)، أن البيئة الكيميائية للمنخل والتوتر السطحي للسائل يلعبان دورًا مهمًا بشكل مدهش في النفاذية.

ولاحظ الباحثون أن كثافة المسام لا تؤدي بالضرورة إلى زيادة نفاذية الماء – بعبارة أخرى، فإن وجود المزيد من الثقوب الصغيرة لا يسمح دائمًا للماء بالتدفق عبر المقياس النانوي. وتلقي الدراسة، التي يدعمها الاتحاد الأوروبي بتمويل من مؤسسة أبحاث همبولت (مؤسسة ألمانية تدعم البحوث في فروع المعرفة على مستوى العالم)، ضوءًا جديدًا على الآليات التي تحكم تدفق المياه من خلال أغشية أكسيد الجرافين.

ويقول البروفيسور راكيش جوشي، الاستاذ المشارك في كلية علوم وهندسة المواد بجامعة نيو ساوث ويلز وكبير مؤلفي الدراسة: “إذا قمت بإنشاء المزيد والمزيد من الثقوب في المنخل، فإنك تتوقع أن تصبح أكثر نفاذية للماء. ولكن من المدهش أن هذا هو عكس ما حدث في تجاربنا مع أغشية أكسيد الجرافين”.

تغيير البيئة الكيميائية

أكسيد الجرافين هو شكل رفيع للغاية من الكربون أظهر أنه مادة واعدة لتنقية المياه. ويتكون المركب الكيميائي من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبطة بذرات الأكسجين والهيدروجين. وإذا تخيلت نثر قوالب (مكعبات) “ليغو” (LEGO) على الأرضية، فستكون الأرضية عبارة عن ذرات الكربون، وستكون ذرات الأكسجين والهيدروجين بمثابة قوالب “ليغو”.

وفي الكيمياء، يمكن أن تحتوي الجزيئات على ما يُعرف باسم “المجموعات الوظيفية” التي تكون إما كارهة للماء (طاردة للماء) أو محبة للماء (جاذبة للماء). ويمكن أيضًا أن تكون المسامات الموجودة في الجرافين كارهة للماء أو محبة للماء.

“المثير للدهشة، أن الأهم بالنسبة لتدفق الماء (تدفق الماء عبر الغشاء) ليس عدد المسام، ولكن ما إذا كانت المسام كارهة للماء أو محبة للماء”، كما يقول توبياس فولر، المرشح لدرجة الدكتوراه في برنامج جامعة نيو ساوث ويلز ساينتيا⁽¹⁾ والمؤلف الرئيسي للدراسة. ويضيف: “هذا غير متوقع للغاية لأن طبقات أكسيد الجرافين بسماكة ذرة واحدة فقط. يتوقع المرء أن يمر الماء فقط عبر المسام، بغض النظر عما إذا كانت تجتذب الماء أو تطرده”.

وعلى الرغم من وجود العديد من الثقوب الصغيرة في مرشحات أكسيد الجرافين المستخدمة في البحث، فقد أظهروا انسدادًا كاملاً للماء في حالة المسام الكارهة للماء.

“مع المرشحات، تتوقع عادةً تدفق المزيد من المياه مع المزيد من الثقوب. ولكن في حالتنا، حيث يوجد المزيد من الثقوب، يكون تدفق المياه أقل، ويرجع ذلك إلى الطبيعة الكيميائية لثقوب أكسيد الجرافين التي تكون في هذه الحالة مقاومة للماء”، تقول البروفيسور ماريكا شليبرجر، وهي مؤلفة مشاركة في الدراسة من جامعة دويسبورغ بألمانيا.

تأثيرات غير عادية للتوتر السطحي

يقول الباحثون أيضًا أن التوتر السطحي يساهم أيضًا في تفاعل الماء مع مسام أكسيد الجرافين. وينشأ التوتر السطحي لأن الجزيئات، مثل الماء، تريد أن تلتصق ببعضها البعض. وعندما يتم حصرها في مساحة صغيرة بدرجة كافية، يمكن أن تعمل الروابط بين الماء (التماسك) والأسطح الصلبة المحيطة (القوة اللاصقة) على تحريك الماء. وهذا يفسر كيف يمكن للأشجار التغلب على الجاذبية لأخذ الماء من جذورها، للأعلى الى أوراقها عبر  الشعيرات (capillaries).

وفي أغشية أكسيد الجرافين – حيث تكون “الشعيرات” في هذه الحالة عبارة عن مسام مصنوعة بمقياس 1 من المليون من المليمتر أو أقل – فإن القوى ذاتها التي تسمح للماء بتسلق الشعيرات للأشجار تمنعه ​​من التدفق عبر مسام الأغشية.

“عندما تحصر الماء في أصغر الشعيرات الممكنة – فقط في حجم بضع ذرات – تجذب جزيئات الماء نفسها كثيرًا إلى حد أنها تشكل شبكة ضيقة. هذه الشبكة قوية جدًا لدرجة أنها لا تسمح بإطلاق الجزيئات. وتمر عبر المنخل، حتى لو قمت بزيادة عدد المسام”، كما يقول السيد فولر.

والمناخل متناهية الصغر المصنوعة من مواد مختلفة لها مجموعة متنوعة من التطبيقات. ويقول الباحثون إن النتائج التي توصلوا إليها ستساعد العلماء على ضبط نقل السوائل في المناخل الذرية ويمكن أن تقدم تطورات مثل أنظمة تنقية المياه عالية الدقة.

ويقول السيد فولر: “من خلال فهم المعامل التي ستزيد أو تقلل من تدفق المياه، يمكننا تحسين العديد من التطبيقات الممكنة لأكسيد الجرافين لتنقية المياه وتخزين الطاقة وإنتاج الهيدروجين والمزيد”. ويضيف: “نأمل أن يتمكن المهندسون والعلماء الآخرون من استخدام هذه المعرفة الجديدة لتحسين أجهزتهم الخاصة، وإحداث تطورات جديدة في المستقبل”.

*تمت النرجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2022-08-graphene-oxide-membranes-reveal-unusual.html

لمزيد من المعلومات: توباس فولر وآخرون، Mass Transport via In-Plane Nanopores in Graphene Oxide Membranes, Nano Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01615

الهوامش:

• يُعد برنامج ساينشا (ترجمتها من اللغة اللاتينية: علوم) بجامعة نيو ساوث ويلز أحد الركائز الأساسية لاستراتيجيتها لعام 2025. ويتمثل الهدف الأساسي للبرنامج في تعزيز الأداء البحثي للجامعة من خلال جذب الباحثين المتميزين والاحتفاظ بهم بسجلات بحثية متميزة. وتحدد الإستراتيجية أيضًا أن التعاون والبحث متعدد التخصصات يقودان الدافع والنجاح في الاستجابة للقضايا العالمية. وبالإضافة إلى كونهم قادة في مجالاتهم، سيكون الأكاديميون العلميون قادة في مدرستهم وكليتهم وسيتفاعلون مع الركائز الثلاث للمشاركة الاجتماعية والتأثير العالمي والتميز الأكاديمي. المصدر: https://research.unsw.edu.au/scientia-program