هیدروژلی که پس از برش ترمیم میشود!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران دانشگاه نورث‌ایسترن نوعی هیدروژل ساخته‌اند که علاوه بر برخورداری از قابلیت خودترمیمی پس از پایان عمر مصرف نیز می‌تواند به‌طور کامل بازیافت شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهد این ماده پس از برش در مدت حدود ۱۵ دقیقه شروع به ترمیم خود می‌کند و در عین حال می‌توان ساختار آن را از هم باز کرد، اجزای تشکیل‌دهنده را بازیابی و دوباره برای ساخت هیدروژل جدید به کار گرفت.

به نقل از فیزیکس او آر جی، این ماده توسط دیگو‌ام آلزاته سانچز استاد شیمی و زیست‌شناسی شیمیایی دانشگاه نورث‌ایسترن و جنا کین دانشجوی دکتری این دانشگاه توسعه یافته است. یافته‌های این پژوهش در مقاله‌ای با عنوان «هیدروژل‌های قابل بازیافت چرخه‌بسته واقعی با استفاده از اتصال عرضی استر بورونیک ایمین» در مجله Advanced Materials منتشر شده است.

هیدروژل چیست و چرا بازیافت آن دشوار است؟

هیدروژل‌ها گروهی از مواد هستند که ساختاری شبیه اسفنج دارند و می‌توانند مقادیر زیادی آب را در شبکه داخلی خود ذخیره کنند. این شبکه از زنجیره‌های بلند مولکولی موسوم به پلیمر تشکیل شده است.

برای اینکه این زنجیره‌ها در کنار یکدیگر باقی بمانند معمولا از موادی موسوم به اتصال‌دهنده‌های عرضی یا Crosslinker استفاده می‌شود. این مواد با ایجاد پیوند میان زنجیره‌های پلیمری، ساختار سه‌بعدی هیدروژل را تقویت می‌کنند.

مشکل اصلی در هیدروژل‌های معمولی این است که بسیاری از این پیوند‌ها دائمی هستند. به همین دلیل پس از تولید ماده، بازگرداندن آن به اجزای اولیه و استفاده مجدد از مواد تشکیل‌دهنده دشوار است.

جنا کین در توضیح این مسئله می‌گوید: وقتی این ماده را می‌سازید، دیگر راهی برای حل کردن آن در هیچ نوع حلالی وجود ندارد.

جایگزینی پیوند‌های دائمی با پیوند‌های برگشت‌پذیر

پژوهشگران برای حل این مشکل ساختار یک هیدروژل موجود را تغییر دادند و به جای پیوند‌های دائمی از مولکول‌های اتصال‌دهنده جدیدی استفاده کردند که پیوند‌های آنها در شرایط مشخص می‌تواند برگشت‌پذیر باشد.

این تغییر امکان ایجاد چیزی را فراهم کرد که پژوهشگران از آن به‌عنوان بازیافت چرخه‌بسته (Closed-loop recycling) یاد می‌کنند.

در این روش شبکه پلیمری هیدروژل می‌تواند به اجزای تشکیل‌دهنده خود تجزیه شود؛ سپس این اجزا بازیابی شده و دوباره برای ساخت همان هیدروژل مورد استفاده قرار گیرند؛ بنابراین برخلاف بسیاری از مواد پلیمری، پایان عمر محصول الزاما به تولید زباله منجر نمی‌شود.

نکته قابل توجه این است که هیدروژل بازیافتی فقط عملکرد مشابه نمونه اولیه نداشت بلکه پژوهشگران در برخی آزمایش‌ها مشاهده کردند نمونه بازیافت‌شده حتی عملکرد بهتری نسبت به نمونه اولیه داشته است.

ماده‌ای نرم، اما مقاوم

هیدروژل جدید با وجود تفاوت در ساختار شیمیایی، بسیاری از ویژگی‌های هیدروژل‌های معمولی را حفظ می‌کند. این مواد از بیرون نرم و ژله‌ای به نظر می‌رسند، اما در ساختار داخلی خود می‌توانند مقاومت بالایی داشته باشند.

از نمونه‌های آشنای مواد با چنین ویژگی‌هایی می‌توان به کفی‌های ژله‌ای کفش، دانه‌های تاپیوکا در بوبا و توپ‌های ضد استرس اشاره کرد.

ترکیب نرمی و استحکام باعث شده هیدروژل‌ها در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند؛ از لنز‌های تماسی و پانسمان زخم گرفته تا پوشک و ماسک‌های خنک‌کننده صورت. این مواد همچنین در سامانه‌های دارورسانی و تصفیه آب کاربرد دارند، زیرا می‌توانند مواد مختلف را درون ساختار خود نگه دارند و آنها را به شکل کنترل‌شده آزاد کنند.

با این حال استفاده گسترده از هیدروژل‌های مقاوم با یک مشکل زیست‌محیطی همراه است. پیوند‌های دائمی که دوام این مواد را افزایش می‌دهند، در پایان عمر محصول نیز تجزیه و بازیافت آن را دشوار می‌کنند.

برای نمونه برخی محصولات یک‌بارمصرف حاوی هیدروژل مانند پوشک‌ها، ممکن است صد‌ها سال برای تجزیه کامل در محیط زمان نیاز داشته باشند.

واسیکی الکساندرا گلزاکو، دانشمند آزمایشگاه ملی علوم و انرژی اوک‌ریج (ORNL) درباره چالش طراحی چنین موادی می‌گوید: برای آنکه یک ماده بادوام باشد باید در برابر تغییرات شیمیایی مقاومت کند، اما برای اینکه قابل بازیافت باشد، باید امکان انجام تغییرات شیمیایی روی آن وجود داشته باشد.

اسید چگونه هیدروژل را تجزیه می‌کند؟

راهکار پژوهشگران دانشگاه نورث‌ایسترن این است که پیوند‌های موجود در هیدروژل را به شکلی طراحی کرده‌اند که ماده در شرایط عادی پایدار باقی بماند، اما در محیطی با میزان مشخصی از اسیدیته، پیوند‌های آن شکسته شوند.

به بیان دیگر میزان اسیدیته محیط به‌عنوان یک عامل کنترل‌کننده عمل می‌کند. هنگامی که محیط از آستانه مشخصی عبور کند، پیوند‌های موجود در ساختار هیدروژل شروع به تجزیه می‌کنند؛ در شرایط دیگر، ماده ساختار خود را حفظ می‌کند.

این ویژگی به پژوهشگران اجازه می‌دهد زمان و شرایط تجزیه ماده را کنترل کنند و پس از شکستن شبکه، اجزای تشکیل‌دهنده آن را برای بازیافت در اختیار داشته باشند.

نقش آب در خودترمیمی هیدروژل

قابلیت خودترمیمی این ماده نیز به نقش آب در ساختار آن ارتباط دارد.

هیدروژل مقدار زیادی آب را درون شبکه پلیمری خود نگه می‌دارد. هنگامی که پیوند‌های اتصال‌دهنده در ساختار شکل می‌گیرند، آب بیشتری نیز به‌عنوان محصول جانبی این فرایند تولید می‌شود.

به گفته کین این آب اضافی باعث می‌شود پیوند‌های موجود در شبکه در وضعیت پویایی قرار بگیرند؛ به این معنا که پیوند‌ها می‌توانند به‌طور مداوم شکسته شده و دوباره تشکیل شوند.

همین پویایی به ماده اجازه می‌دهد پس از آسیب، بخش‌های جداشده دوباره به یکدیگر متصل شوند.

می‌توان این فرایند را با یک قطعه گل رس مقایسه کرد که هنوز وارد کوره نشده است. تا زمانی که گل انعطاف‌پذیر باشد، ترک‌ها و فرورفتگی‌های آن را می‌توان دوباره به هم متصل و سطح آن را اصلاح کرد. در این هیدروژل نیز پویایی پیوند‌های شیمیایی امکان شکل‌گیری مجدد اتصالات را فراهم می‌کند.

آغاز ترمیم تنها ۱۵ دقیقه پس از برش

پژوهشگران برای آزمایش قابلیت خودترمیمی هیدروژل را از وسط برش دادند و دو قطعه را به‌آرامی در کنار یکدیگر قرار دادند.

پس از گذشت حدود ۱۵ دقیقه شکاف ایجادشده میان دو قطعه شروع به از بین رفتن کرد و اتصالات جدید در محل برش شکل گرفتند.

این آزمایش نشان داد که ماده می‌تواند بدون نیاز به جایگزینی بخش آسیب‌دیده فرایند ترمیم را در محل آسیب آغاز کند.

کارن کورتس گوزمن، پژوهشگر ORNL می‌گوید مواد خودترمیم‌شونده به‌ویژه در شرایطی اهمیت دارند که تعمیر یا تعویض یک قطعه دشوار یا پرهزینه باشد. به گفته او در صورت خودترمیم‌شونده بودن یک ماده، بریدگی‌ها و سوراخ‌شدگی‌ها می‌توانند خودبه‌خود ترمیم شوند و ماده دوباره به وضعیت عملیاتی خود بازگردد.

از لنز تماسی تا محصولات یک‌بارمصرف

اگرچه لنز تماسی خودترمیم‌شونده هنوز به بازار نیامده است، ویژگی‌های این هیدروژل می‌تواند در آینده برای توسعه نسل جدیدی از محصولات مبتنی بر این مواد مورد توجه قرار گیرد.

ترکیب استحکام، انعطاف‌پذیری، خودترمیمی و قابلیت بازیافت چرخه‌بسته این ماده را به گزینه‌ای بالقوه برای کاربرد‌هایی تبدیل می‌کند که در آنها هم دوام محصول و هم کاهش پسماند اهمیت دارد.

البته تبدیل این دستاورد آزمایشگاهی به محصولات تجاری نیازمند بررسی‌های بیشتر درباره عملکرد ماده در شرایط واقعی، مقیاس‌پذیری تولید، هزینه ساخت و ایمنی آن در کاربرد‌های مختلف است.