قام علماء روتجرز بتطوير مواد بلاستيكية يمكن برمجتها للتحلل بمعدلات محددة بالاعتماد على مبدأ طبيعي. يمكن أن يوفر نهجهم طريقة جديدة ذات معنى لمعالجة مشكلة التلوث البلاستيكي المتزايدة.

كان Yuwei Gu في نزهة في متنزه Bear Mountain State Park في نيويورك عندما تبلورت فكرة غير متوقعة.

وأثناء سيره، لاحظ وجود زجاجات بلاستيكية متناثرة على طول الطريق وتنجرف في بحيرة قريبة. أدى الصدام بين المناظر الطبيعية الخلابة والقمامة البلاستيكية إلى توقف الكيميائي في روتجرز للتفكير.

في الطبيعة، تتكون العديد من المواد الأساسية من سلاسل طويلة من وحدات متكررة تسمى البوليمرات، مثل: الحمض النووي و الحمض النووي الريبي، وتتفكك هذه البوليمرات الطبيعية في النهاية. ومع ذلك، فإن البوليمرات التي يصنعها الإنسان، مثل البلاستيك، تميل إلى البقاء في البيئة بدلاً من أن تتحلل. لماذا هذا؟

وقال: “إن علم الأحياء يستخدم البوليمرات في كل مكان، مثل البروتينات، والحمض النووي، والحمض النووي الريبي (RNA)، والسليلوز، ولكن الطبيعة لا تواجه أبدًا نوع مشاكل التراكم طويلة المدى التي نراها مع المواد البلاستيكية الاصطناعية”. قو، أستاذ مساعد في قسم الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في كلية روتجرز للآداب والعلوم.

وبينما كان واقفاً في الغابة، جاءه الجواب.

وقال: “الفرق يجب أن يكمن في الكيمياء”.

ورأى جو أنه إذا كانت الأنظمة الحية قادرة على إنتاج بوليمرات تؤدي وظيفتها ثم تتحلل بشكل طبيعي، فربما يمكن إعادة تصور المواد البلاستيكية التي صممها البشر لتتصرف بطريقة مماثلة. ومن خلال تدريبه، عرف أن العديد من البوليمرات الطبيعية تحتوي على مجموعات كيميائية صغيرة مدمجة في بنيتها والتي تساعد على تفكيك الروابط الكيميائية عندما تكون الظروف مناسبة، مما يسهل تحلل تلك المواد.

“فكرت، ماذا لو قمنا بنسخ تلك الخدعة الهيكلية؟” قال. “هل يمكننا أن نجعل المواد البلاستيكية التي يصنعها الإنسان تتصرف بنفس الطريقة؟”

استعارة مخطط الطبيعة

نجحت الفكرة. وفي دراسة نشرت في كيمياء الطبيعةوقد أظهر جو وفريق من علماء روتجرز أنه من خلال استعارة هذا المبدأ من الطبيعة، يمكنهم إنشاء مواد بلاستيكية تتحلل في الظروف اليومية دون حرارة أو مواد كيميائية قاسية.

وقال جو: “أردنا معالجة أحد أكبر التحديات التي تواجه المواد البلاستيكية الحديثة”. “كان هدفنا هو إيجاد استراتيجية كيميائية جديدة من شأنها أن تسمح للمواد البلاستيكية بالتحلل بشكل طبيعي في ظل الظروف اليومية دون الحاجة إلى معالجات خاصة.”

البوليمر عبارة عن مادة مصنوعة من العديد من الوحدات المتكررة المرتبطة ببعضها البعض، مثل الخرز الموجود على الخيط. البلاستيك عبارة عن بوليمرات، وكذلك المواد الطبيعية مثل DNA وRNA والبروتينات. DNA و RNA عبارة عن بوليمرات لأنها عبارة عن سلاسل طويلة من وحدات أصغر تسمى النيوكليوتيدات. البروتينات عبارة عن بوليمرات مصنوعة من الأحماض الأمينية.

الروابط الكيميائية هي “الغراء” الذي يربط الذرات معًا في الجزيئات. في البوليمرات، تربط هذه الروابط كل وحدة بناء بالأخرى. الروابط القوية تجعل البلاستيك متينًا، ولكنها تجعل من الصعب تحطيمه. ركز بحث جو على تسهيل كسر هذه الروابط عند الحاجة، دون إضعاف المادة أثناء الاستخدام.

إن التقدم لا يقتصر على جعل المواد البلاستيكية قابلة للتحلل: فهو يجعل العملية قابلة للبرمجة.

“الطي المسبق” الهيكلي

كان مفتاح الاكتشاف هو كيفية ترتيب الباحثين لمكونات البنية الكيميائية للبلاستيك بحيث تكون في وضع مثالي لبدء التحلل عند إطلاقها.

يمكن تشبيه هذه العملية بطي قطعة من الورق، بحيث يتم تمزيقها بسهولة على طول الثنية. ومن خلال “الطي المسبق” للهيكل، يمكن للبلاستيك أن يتفكك بسرعة أكبر بآلاف المرات من المعتاد. على الرغم من أن البلاستيك يسهل كسره عند تنشيطه، إلا أن تركيبه الكيميائي الأساسي يظل كما هو، لذلك يظل قويًا ومفيدًا حتى اللحظة التي يريد المستخدم أن يتحلل فيها.

وقال جو: “الأهم من ذلك أننا وجدنا أن الترتيب المكاني الدقيق لهذه المجموعات المجاورة يغير بشكل كبير مدى سرعة تحلل البوليمر”. “من خلال التحكم في اتجاهها وموضعها، يمكننا هندسة نفس البلاستيك ليتحلل على مدار أيام أو أشهر أو حتى سنوات.”

تعني قدرة الضبط الدقيق هذه أن المنتجات المختلفة يمكن أن يكون لها عمر افتراضي يتوافق مع الغرض منها. قد تحتاج عبوات المواد الغذائية الجاهزة إلى البقاء لمدة يوم واحد فقط قبل أن تتفكك، في حين أن أجزاء السيارة يجب أن تبقى لسنوات. أظهر الفريق أن الانهيار يمكن أن يكون مدمجًا أو يمكن تشغيله أو إيقافه باستخدام الضوء فوق البنفسجي أو الأيونات المعدنية، مما يضيف طبقة أخرى من التحكم.

ما وراء تنظيف البيئة

وتتجاوز الآثار المترتبة على ذلك حل أزمة البلاستيك العالمية. وقال قو إن هذا المبدأ يمكن أن يتيح ابتكارات مثل كبسولات إطلاق الدواء في الوقت المناسب والطلاءات ذاتية المسح.

وقال: “لا يفتح هذا البحث الباب أمام المزيد من المواد البلاستيكية المسؤولة بيئيًا فحسب، بل يوسع أيضًا مجموعة الأدوات لتصميم مواد ذكية وسريعة الاستجابة تعتمد على البوليمر في العديد من المجالات”.

بالنسبة لجو، الهدف النهائي واضح: يجب أن يخدم البلاستيك غرضه ثم يختفي.

وقال: “توفر استراتيجيتنا طريقة عملية تعتمد على الكيمياء لإعادة تصميم هذه المواد بحيث تظل قادرة على الأداء الجيد أثناء الاستخدام ولكنها تتحلل بشكل طبيعي بعد ذلك”.

أظهرت الاختبارات المعملية المبكرة أن السائل الناتج عن الانهيار ليس سامًا. لكن قو قال إنه يجب إجراء المزيد من الأبحاث للتأكد من أن هذا هو الحال.

وبالنظر إلى الوراء، قال قو إنه فوجئ بنجاح الفكرة التي نشأت على طريق جبلي هادئ.

وقال: “لقد كانت فكرة بسيطة، تقليد بنية الطبيعة لتحقيق نفس الهدف”. “لكن رؤية نجاحها كان أمرًا لا يصدق.”

الخطوات التالية

يقوم غو وفريقه الآن بأخذ أبحاثهم في عدة اتجاهات جديدة.

إنهم يدرسون بالتفصيل ما إذا كانت القطع الصغيرة التي يتحلل إليها البلاستيك ضارة بالكائنات الحية أو البيئة. سيساعد هذا في التأكد من أن المواد آمنة طوال دورة حياتها.

ويبحث الفريق أيضًا في كيفية عمل العملية الكيميائية مع المواد البلاستيكية العادية وملاءمتها لأساليب التصنيع الحالية. وفي الوقت نفسه، يقومون باختبار ما إذا كان من الممكن استخدام هذا النهج لصنع كبسولات تطلق الدواء في أوقات خاضعة للرقابة.

لا تزال هناك بعض التحديات التقنية، لكن قو قال إنه مع المزيد من التطوير، إلى جانب العمل مع صانعي البلاستيك الذين يدركون الحاجة إلى مواد بلاستيكية مستدامة، يمكن في النهاية استخدام كيمياءهم في المنتجات اليومية.

المرجع: “التنظيم المسبق المطابق للمجموعات المجاورة يعدل ويسرع التفكيك الذاتي للبوليمر” بقلم شاوزنغ يين، روي تشانغ، رويهاو تشو، ن. سانجيفا مورثي، لو وانغ، ويوي غو، 28 نوفمبر 2025، كيمياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41557-025-02007-3

التمويل: مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، صندوق أبحاث البترول التابع للجمعية الكيميائية الأمريكية

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.