معهد فراونhofer IAP الألماني يستخدم مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية لدراسة كيمياء سطح المواد الهجينة ذات الأساس الحيوي

أخبار ar.wedoany.com، يستخدم معهد فراونhofer للبوليمرات التطبيقية (Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP) مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) لدراسة الحالة الكيميائية والتفاعلات على أسطح وواجهات المواد الكربونية ذات الأساس الحيوي والمواد الهجينة العضوية-غير العضوية، ويمكن أن تدعم النتائج المتوصل إليها التطوير الموجّه للمواد الوظيفية الموجهة للتطبيقات الصناعية.

يمكن استخدام المواد ذات الأساس الحيوي والأنظمة الهجينة في معالجة المياه والعمليات التحفيزية والمكونات الكهروكيميائية والطلاءات الوظيفية، وهي تجمع بين خصائص المواد الخام الطبيعية والمواد غير العضوية. وتعتمد وظيفتها وتفاعليتها واستقرارها على البيئة الكيميائية للسطح والواجهة، بينما تقدم طرق التحليل التقليدية معلومات محدودة، وغالباً ما يصعب تحديد أسباب اختلاف الأداء أو تأثيرات التقادم أو السلوك غير المتوقع.

في سلسلة من الدراسات المشتركة بقيادة فريق عمل الكيمياء المواد بقيادة الأستاذ Andreas Taubert في جامعة بوتسدام (Universität Potsdam)، طوّر الباحثون مواد كربونية ومواد هجينة ذات أساس حيوي لمعالجة المياه؛ ويوفر معهد فراونhofer IAP توصيفاً بتقنية XPS لتحليل تركيب السطح والحالة الكيميائية والتفاعلات على الواجهة. ويُستخدم ثفل القهوة وقشر البرتقال كمادتين خام متجددة لإنتاج الفحم الحيوي، ثم يُدمجان مع معادن الطين وأكاسيد المعادن.

يدرس الدكتور Jiyong Kim، خبير تحليل الأسطح في معهد فراونhofer IAP، باستخدام XPS كيف تؤثر المعالجة الحرارية وتكوين المواد الهجينة على كيمياء السطح والواجهة: يُعرَّض سطح المادة للأشعة السينية وتُقاس طاقة الإلكترونات الضوئية المنبعثة. ويقول Kim إن تقنية XPS قادرة على قراءة معلومات الطبقة السطحية الأكثر خارجية من 1 إلى 10 نانومترات، ولا تتطلب سوى تحضير ضئيل للعينة، دون الحاجة إلى إذابة أو هضم كيميائي.

كيمياء المواد المصنوعة من مواد خام طبيعية معقدة. فعند المعالجة الحرارية للكتلة الحيوية مثل ثفل القهوة أو قشر البرتقال تحدث في الوقت نفسه تفاعلات كثيرة، ما ينتج مواد كربونية غير متجانسة كيميائياً على السطح لا يمكن وصفها ببنية واحدة. وتستطيع تقنية XPS التمييز بين الأسطح المعقدة واستنتاج كيفية تكوّنها وتطبيقاتها اللاحقة. وفيما يتعلق بالفحم الحيوي من ثفل القهوة، تُظهر XPS أن المعالجة الحرارية تعيد تشكيل الكربون السطحي، مكوّنة بنية أشبه بالجرافيت ذات محتوى كربون أعلى، لكنها تظل غير متجانسة وتحتوي على عدد كبير من مواقع العيوب، ما يمكن أن يعزز التفاعل مع المكونات الصيدلانية الفعالة والأصباغ والملوثات العضوية الأخرى. ويقول Taubert إن معرفة الخصائص الكيميائية الدقيقة تساعد على فهم التركيب وتتبع التغيرات في تطبيقات تنقية المياه أو المكونات الكهروكيميائية، وهي تغيرات يصعب كشفها بطرق أخرى.

في المواد الهجينة ذات الأساس الحيوي، ترتبط المكونات العضوية وغير العضوية على مقاييس دقيقة، وتؤثر العمليات على الواجهة في الأداء اللاحق. ويقول Kim إن معرفة العناصر وحدها لا تكفي، بل المفتاح هو كيفية تفاعل المكونات وما إذا كانت الواجهة تشكّل بيئة كيميائية جديدة، وتقنية XPS تجعل هذه التفاعلات مرئية. ففي نظام هجين مكوّن من الفحم الحيوي لقشر البرتقال والطين وثاني أكسيد التيتانيوم، تتشكل أثناء المعالجة الحرارية روابط كيميائية على الواجهة تشمل التيتانيوم والأكسجين والكربون والألومنيوم؛ وفي المحفزات الضوئية المعدّلة بالنيتروجين، تستطيع XPS التمييز بين النيتروجين المدمج في البنية غير العضوية المحتوية على التيتانيوم والمركبات العضوية النيتروجينية المتبقية. ويمكن لهذه المواد أن ترتبط بالملوثات وأن تحللها أيضاً بفضل خصائصها التحفيزية الضوئية تحت الإضاءة.

بفضل تقنية XPS، يدعم معهد فراونhofer IAP الشركات والشركاء البحثيين في فهم كيمياء السطح المعقدة للمواد ذات الأساس الحيوي، وتحديد أسباب اختلاف الأداء، بما في ذلك تقلبات دفعات الإنتاج وعمليات التقادم وتعديل الأسطح والتفاعلات مع الملوثات والجزيئات الأخرى، بهدف تحسين تركيبات المواد وعمليات التصنيع وتطوير مواد متينة وقابلة للتكرار مناسبة للتطبيقات الصناعية. ومع تزايد اهتمام الصناعة بالمواد الخام المتجددة، تُظهر هذه النتائج أيضاً إمكانات إجراء بحوث مشتركة في مجال المواد ذات الأسطح والواجهات المعقدة، مثل المواد الكربونية ذات الأساس الحيوي والمحفزات والطلاءات ومركبات البوليمرات.