علماء كيمياء يصنعون أنحف معكرونة سباغيتي في العالم
تم إنشاء أنحف معكرونة سباغيتي في العالم، وهي أرق بحوالي 200 مرة من شعرة الإنسان، بواسطة فريق بحثي بقيادة UCL. لا يُقصد من السباغيتي أن تكون طعامًا جديدًا ولكن تم إنشاؤها بسبب الاستخدامات الواسعة النطاق للخيوط الرفيعة للغاية من المواد، والتي تسمى الألياف النانوية، في الطب والصناعة. إن الألياف النانوية المصنوعة من النشا - والتي تنتجها معظم النباتات الخضراء لتخزين الجلوكوز الزائد - واعدة بشكل خاص ويمكن استخدامها في الضمادات للمساعدة في التئام الجروح (حيث أن حصائر الألياف النانوية مسامية للغاية، مما يسمح بدخول الماء والرطوبة ولكن يمنع البكتيريا من الدخول)، كسقالة لتجديد العظام وتوصيل الأدوية. ومع ذلك، فإنها تعتمد على استخراج النشا من خلايا النبات وتنقيته، وهي عملية تتطلب الكثير من الطاقة والمياه. يقول الباحثون إن الطريقة الأكثر ملاءمة للبيئة هي إنشاء ألياف نانوية مباشرة من مكون غني بالنشا مثل الدقيق، وهو أساس المعكرونة.
قراءة مقترحة
إنشاء ألياف نانوية من السباغيتي
372 نانومترًا
هذا هو عرض خيط السباغيتي النانوي الجديد، أي أرفع بنحو 1000 مرة من معكرونة su filindeu التقليدية.
في ورقة بحثية جديدة في Nanoscale Advances، وصف الفريق صنع السباغيتي بعرض 372 نانومتر فقط (مليار من المتر) باستخدام تقنية تسمى الغزل الكهربائي، حيث يتم سحب خيوط الدقيق والسوائل من خلال طرف إبرة بواسطة شحنة كهربائية. تم تنفيذ العمل بواسطة بياتريس بريتون، التي أجرت الدراسة كجزء من درجة الماجستير في الكيمياء في جامعة كوليدج لندن. قال المؤلف المشارك الدكتور آدم كلانسي (قسم الكيمياء بجامعة كوليدج لندن): "لصنع السباغيتي، عليك دفع خليط من الماء والدقيق من خلال ثقوب معدنية. في دراستنا، فعلنا نفس الشيء باستثناء أننا مررنا خليط الدقيق من خلال شحنة كهربائية. إنه سباغيتي حرفيًا ولكنه أصغر كثيرًا". في ورقتهم البحثية، وصف الباحثون أنحف معكرونة معروفة، تسمى su filindeu ("خيوط الله")، مصنوعة يدويًا بواسطة صانعي معكرونة في مدينة نورو، سردينيا.
مقارنة بين السباغيتي التقليدية والنانوية
| النوع | العرض | ملاحظة |
|---|---|---|
| su filindeu | حوالي 400 ميكرون | معكرونة يدوية تقليدية من سردينيا |
| السباغيتي النانوية | 372 نانومترًا | أرفع من بعض أطوال الموجات الضوئية |
يُقدر عرض هذه المعكرونة longa ("المعكرونة الطويلة") بحوالي 400 ميكرون - أي أكثر سمكًا بـ 1000 مرة من الإبداع الكهربائي الجديد، والذي يبلغ سمكه 372 نانومترًا، وهو أضيق من بعض أطوال الموجات الضوئية. شكلت "المعكرونة النانوية" الجديدة حصيرة من الألياف النانوية يبلغ عرضها حوالي 2 سم، وبالتالي يمكن رؤيتها، ولكن كل خصلة فردية ضيقة جدًا بحيث لا يمكن التقاطها بوضوح بواسطة أي شكل من أشكال كاميرا الضوء المرئي أو المجهر، لذلك تم قياس عرضها باستخدام مجهر مسح إلكتروني.
الفوائد البيئية والتوجهات المستقبلية
وقال البروفيسور جاريث ويليامز (كلية الصيدلة بجامعة كوليدج لندن) المشارك في الدراسة: "تُظهر الألياف النانوية، مثل تلك المصنوعة من النشا، إمكانية استخدامها في ضمادات الجروح لأنها مسامية للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استكشاف الألياف النانوية لاستخدامها كسقالة لإعادة نمو الأنسجة، حيث تحاكي المصفوفة خارج الخلية - شبكة من البروتينات والجزيئات الأخرى التي تبنيها الخلايا لدعم نفسها". وقال الدكتور كلانسي: "النشا مادة واعدة للاستخدام لأنها وفيرة ومتجددة - إنها ثاني أكبر مصدر للكتلة الحيوية على الأرض، بعد السليلوز - وهي قابلة للتحلل البيولوجي، مما يعني أنه يمكن تكسيرها في الجسم. "لكن تنقية النشا تتطلب الكثير من المعالجة. لقد أظهرنا أنه من الممكن إيجاد طريقة أبسط لصنع الألياف النانوية باستخدام الدقيق. والخطوة التالية هي التحقيق في خصائص هذا المنتج. نريد أن نعرف، على سبيل المثال، مدى سرعة تفككه، وكيف يتفاعل مع الخلايا، وما إذا كان بإمكانك إنتاجه على نطاق واسع". وأضاف البروفيسور ويليامز: "لا أعتقد أنه مفيد كمكرونة، للأسف، لأنه سينضج أكثر من اللازم في أقل من ثانية، قبل أن تتمكن من إخراجه من المقلاة". في الغزل الكهربائي، تشكل الإبرة التي تحتوي على الخليط واللوحة المعدنية التي يوضع عليها الخليط طرفي بطارية. يؤدي تطبيق شحنة كهربائية إلى إكمال الخليط للدائرة عن طريق التدفق من الإبرة إلى اللوحة المعدنية. الغزل الكهربائي باستخدام مكون غني بالنشا مثل الدقيق الأبيض أكثر تحديًا من استخدام النشا النقي، حيث أن الشوائب - البروتين والسليلوز - تجعل الخليط أكثر لزوجة وغير قادر على تكوين الألياف.
كيف صُنعت الألياف النانوية من الدقيق
تفكيك بنية النشا
استخدم الباحثون الدقيق مع حمض الفورميك بدلًا من الماء لتفكيك طبقات الحلزونات الكبيرة في النشا.
ضبط القوام
سُخن الخليط بعناية لعدة ساعات ثم بُرد ببطء للوصول إلى القوام المناسب لتكوين الألياف.
الغزل الكهربائي
سُحب الخليط عبر إبرة مشحونة كهربائيًا نحو لوحة معدنية لتتشكل الألياف أثناء انتقاله في الهواء.
التبخر والقياس
تبخر حمض الفورميك أثناء الطيران، ثم استُخدم مجهر مسح إلكتروني لرؤية الخيوط وقياسها بدقة.
استخدم الباحثون الدقيق وحمض الفورميك بدلاً من الماء، حيث يكسر حمض الفورميك أكوام الحلزونات العملاقة (أو اللوالب) التي تشكل النشا. وذلك لأن طبقات الحلزونات الملتصقة ببعضها البعض كبيرة جدًا بحيث لا تكون اللبنات الأساسية للألياف النانوية. (الطهي له نفس التأثير على النشا مثل حمض الفورميك - فهو يكسر طبقات الحلزونات، مما يجعل المعكرونة قابلة للهضم.) ثم يتبخر حمض الفورميك بينما تطير المعكرونة عبر الهواء إلى اللوحة المعدنية. كان على الباحثين أيضًا تسخين الخليط بعناية لعدة ساعات قبل تبريده ببطء مرة أخرى للتأكد من أنه يتمتع بالقوام الصحيح. قالت بياتريس بريتون المؤلفة الرئيسية وطالبة ماجستير العلوم في الكيمياء: "لقد استمتعت حقا بالعملية التكرارية لضبط المتغيرات ومراقبة كيف غير هذا الخليط. كان الأمر عبارة عن الكثير من التجربة والخطأ. لم أكن أتخيل أنني سأقوم بتشكيل ألياف ولكنني قمت بذلك". كل خصلة فردية ضيقة للغاية بحيث لا يمكن التقاطها بوضوح بواسطة أي شكل من أشكال كاميرا الضوء المرئي أو المجهر لذلك استخدم الفريق مجهر مسح إلكتروني ومسح الخصلة بشعاع مركز من الإلكترونات وإنشاء صورة بناء على نمط الإلكترونات المنحرفة.