الخدش الخفيف للأسطح طريقة جديدة لصناعة الأغشية المتينة

استطاع باحثون من مختبر أرغون الوطني Argonne National Laboratory إظهار قابلية التقنيات الجديدة في التعامل مع الأغشية، حيث يمكن لتقنية أرغون الجديدة أن تَزرع مواد داخل هياكل الغشاء، وتغير من بنيتها الكيميائية بدون التأثير على شكل المسام، مما يسمح للعلماء على تحسين الأغشية بطرق مختلفة.
سواء كانت مياه الصنبور أو فنجان من القهوة، فإن كل شيء نشربه تقريبًا يمر عبر نوع من عمليات التصفية. إن القدرة على تحويل السوائل بهذه الطريقة أمر ضروري للحياة اليومية، إلا أنها غالبًا ما تعتمد على أغشية دقيقة نسبيًا يمكن أن تتعرض للانسداد أو التحلل السريع.
يقوم العلماء في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بتصميم طرق لمعالجة الأغشية حتى يتمكنوا من تصفية السوائل بشكل أفضل بالإضافة إلى مقاومة التحلل من المواد الكيميائية المعالجة صناعيًا والوقود البيولوجي.
يمكن لتقنية الترشيح التسلسلي التآلفي (SIS) أن تغير بشكل أساسي الغشاء من الداخل، مما يسمح بتحكم أكبر في تركيبه الكيميائي وحجم المسام.
وقد حققت تقنية SIS ما وعدت به في مجالات تصنيع أشباه الموصلات، والطلاء البصري والإسفنج التي تعمل على تنظيف التسربات النفطية. والآن ولأول مرة، أظهر الباحثون في أرغون قابلية التقنية في التعامل مع الأغشية.
وكان باحثون أرغون هم أول من ابتكرها في عام 2010، وهي عبارة عن تقنية قريبة من تقنية ترسيب الطبقة الذرية ALD، وتستخدم كلتا الدراستين أبخرة كيميائية لتغيير واجهة المواد مثل الأغشية.
وقال سيث دارلينغ Seth Darling، مدير معهد الهندسة الجزيئية في أرغون والمركز المتقدم لأبحاث الطاقة في مركز الطاقة التابع لوزارة الطاقة والمياه: “هناك قصور واحد مهم في تطبيق التقنية، فعندما تقوم بتغطية المسام في الغشاء باستخدام تقنية مثل ALD، فإنك تقوم بتقييدها.” وذلك لأن ALD تضيف طبقات فوق الغشاء بشكل أساسي، مما يقلل بشكل بطيء من أقطار المسام، كما يحدث عندما تُقيد تدفق الهواء من فتحة تهوية في الحائط إذا استمريت بالطلاء فوقها.
بينما تقوم تقنية SIS بإنشاء مادة داخل هيكل الغشاء نفسه، وتغير تركيبها الكيميائي دون التأثير بشكل كبير على شكل المسام. ويضيف دارلينغ: ” يمكن ل SIS تحقيق العديد من الأشياء التي يمكن ل ALD تحقيقها من حيث هندسة السطوح، وذلك مع أدنى حد مُمكن لضيق المسام ”
وتُصنع تقريبًا جميع الأغشية التجارية من البوليمرات؛ وهي عبارة عن جزيئات كبيرة تتكون من سلاسل متكررة من جزيئات أصغر. وتقوم SIS بالاستفادة من الفراغات بين تلك الجزيئات، وتخترق سطح الغشاء وتنشر بداخله مادة غير عضوية.
وفي محاولة إثبات ما جاؤوا به، استخدم دارلينغ وزملاؤه تقنية SIS لزراعة “نوى” من أكسيد الألومنيوم وانمائها داخل أغشية الترشيح الفائق الذي يتكون من البولي إيثر سلفون (PES)، مما جعلها أكثر مرونة دون التأثير على قدرة الترشيح. ونُشرت النتائج على الانترنت في 24 سبتمبر في JOM مجلة المعادن والفلزات والمواد.
تتيح تقنية SIS مجموعة من التحسينات على الأغشية كالقدرة على منع الألياف من الالتصاق بالسطح، أو مقاومة المذيبات التي قد تكون مطلوبة في بيئة صناعية ولكنها تتسبب بانحلال المواد الغشائية التقليدية.
يمكن أن تساعد القدرة على هندسة الأغشية بهذه الطريقة على خفض التكاليف في محطات معالجة المياه أو في الصناعات الكيميائية والدوائية عن طريق تقليل وقت التوقف عن العمل والتكلفة المرتبطة باستبدال الأغشية المستهلكة.
استخدم دارلينغ وزملاؤه تقنية SIS في ابتكار إسفنج النفط، الذي يمتص النفط من الماء، حيث يعمل الأكسيد المعدني كموقع تطعيم للجزيئات المحبة للنفط ويُزرع داخل سطح الإسفنج.
ويختم دارلينغ: “يمكنك أن تتخيل استراتيجية مماثلة مع الأغشية، أينما قمت بتطعيمها بالجزيئات ستعطيها بعض الانتقائية أو غيرها من الخصائص التي تبحث عنها.”