قدم علماء من جامعة رايس وجامعة هيوستن طريقة جديدة لإنتاج مادة حيوية عالية القوة تعتمد على السليلوز البكتيري، والتي يمكن أن تصبح أحد البدائل للبلاستيك البتروكيماوي. والدراسة التي نُشرت في Nature Communications في يوليو 2025، تصف عملية تخليق حيوي قابلة للتوسع، حيث «تبني» البكتيريا بنية المادة تحت التحكم في تدفق السوائل، وليس بشكل عشوائي كما هو الحال في الظروف العادية.
أشرف على العمل محمد مقصود رحمان، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران بجامعة هيوستن وبالتعاون مع جامعة رايس. وكان المؤلف الرئيسي للمقال هو طالب الدكتوراه في جامعة رايس م. أ. س. ر. سعدي، كما شارك في المشروع شايام بهاكتا (رايس)، بالإضافة إلى المهندسين وعلماء المواد بولي كيل أجايان، وماتيو بينيت، وماتيو باسكوالي وآخرين. وقد مول العمل عدد من المؤسسات الأمريكية، بما في ذلك المؤسسة الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة، وEndowment for Forestry and Communities، وWelch Foundation.
كيف تعمل هذه التقنية
عادةً ما ينمو السليلوز البكتيري على شكل شبكة مفككة وعشوائية التوجه من الألياف النانوية، مما يحد من قوتها ومقاومتها للأحمال. وفي النهج الجديد، أنشأ الباحثون مفاعلاً حيوياً دواراً يحدد فيه تدفق السائل اتجاه حركة بكتيريا Gluconacetobacter وبالتالي توجيه الألياف التي تفرزها.
تحت تأثير الديناميكا المائية المتحكم بها، تمكن العلماء من الحصول على صفائح كثيفة مصطفة في اتجاه واحد، مع قوة شد تصل إلى حوالي 436 ميغاباسكال. وفي النسخة الهجينة، عند إدخال صفائح نانوية من نيتريد البورون أثناء عملية النمو، وصلت القوة إلى حوالي 553 ميغاباسكال، وتجاوزت الموصلية الحرارية للمواد ثلاثة أضعاف السليلوز البكتيري العادي. كل هذا يحدث في مرحلة واحدة، في درجة حرارة الغرفة، وبدون مذيبات سامة وظروف التخمير الطبيعية.
الصداقة للبيئة، والخصائص، والاستخدامات المحتملة
يظل «البلاستيك الورقي» البكتيري قابلاً للتحلل الحيوي ولا يتطلب الحرق أو المعالجة الكيميائية الحرارية، مثل معظم البوليمرات الاصطناعية. بالإضافة إلى ذلك، تتيح التقنية استخدام أوساط بسيطة نسبياً، وفي المستقبل، يمكن استخدام النفايات الزراعية كقاعدة مغذية للتخمير، مما يدعم فكرة الإنتاج منخفض التكلفة والقابل للتوسع.
يرى العلماء استخدامات للمادة الجديدة في عدة اتجاهات:
- التغليف، حيث يمكن أن يحل محل جزء من الأغلفة والعلب البلاستيكية التي تستخدم لمرة واحدة؛
- مكونات السيارات والبناء، حيث تكون القوة والخفة مطلوبتين؛
- عناصر التنظيم الحراري، على سبيل المثال، قطع لتبديد الحرارة من الأجهزة الإلكترونية؛
- المنسوجات والإلكترونيات «الخضراء»، بما في ذلك الشاشات وأجهزة الاستشعار المرنة؛
- أنظمة الطاقة والمواد المركبة، حيث تكون القوة والمقاومة للأحمال مهمة.
القيود ولماذا لا يعد هذا «ثورة الغد»
على الرغم من كل الآفاق الواعدة، فإن المادة ليست جاهزة بعد لتحل محل المواد البلاستيكية التقليدية تماماً، لا من حيث الحجم ولا من حيث التكلفة. وسيتطلب التنفيذ الصناعي ما يلي:
- إنشاء خطوط إنتاج واسعة النطاق؛
- معالجة مسائل التقييس والتنظيم القانوني؛
- إثبات الموثوقية طويلة الأمد في الظروف السريرية، وفي قطاعي السيارات والصناعة.
ومع ذلك، يضع فريق جامعة رايس وجامعة هيوستن هذه التقنية كواحدة من أوائل التقنيات التي لا تتطلب فيها الاستدامة البيئية تقديم تنازلات فيما يتعلق بالقوة والاستقرار. وفي السنوات المقبلة، يخطط الفريق لتطوير خطوط إنتاج تجريبية بالتعاون مع شركاء صناعيين، بالإضافة إلى استكشاف تعديلات جديدة للمادة لاستخدامات متخصصة.
