این پلاستیک‌های شگفت‌انگیز …
بسپار/ ایران پلیمر بسپارها تقریبا در هر زمینه‌ای از زندگی روزمره ما نفوذ کردهاند و نقش به سزایی دارند و در حال حاضر با وجود محدودیت‌های موجود، باز هم در حال گسترش هستند.
در سال ۱۹۲۰، Hermann Staudinger شیمیدان آلمانی پیشنهاد کرد که بسپارها (دسته گسترده‌ای از آمیزههای شامل لاستیک و سلولز است) از زنجیرهای بلندی از مولکولهای کوچک یکسان ساخته شده‌اند که با پیوندهای شیمیایی قوی به یکدیگر پیوند خورده‌اند. بیشتر همکاران او فکر می‌کردند این یاوه‌ای بیش نیست و بر این باور بودند که بسپارها صرفا تجمعی از کوچک مولکول‌ها با پیوندهای سست هستند. اشتودینگر هرگز حاضر به عقب نشینی از ایده‌های خود نشد و جنجال‌هایی به پا خاست که یک دهه ادامه داشت.
سرانجام داده‌های آزمایشگاهی ثابت کرد که حق با وی است. وی به همین دلیل در سال ۱۹۵۳ جایزه نوبل شیمی را از آن خود کرد که نتیجه آن تولید بسپارهای مصنوعی شد (در سال ۲۰۱۵، حدود ۳۰۰ میلیون تن بسپار مصنوعی در سراسر جهان تولید شده است). زنجیرهای مولکولی که اشتودینگر فرض کرد تقریبا به زندگی امروزی ما نفوذ کرده است و از جمله کاربردهای آن می‌توان به لباس‌ها، رنگ‌ها، محصولات بسته بندی، دارورسانی، چاپگر‌های سه بعدی و مواد خود‌ترمیم شونده (self-healing) اشاره کرد. حتی نصف وزن هواپیماهای جدید مسافربری بویینگ (مدل ۷۸۷Dreamliner ) از چندسازههای (کامپوزیت‌های) بسپار تشکیل شده است.
بسپارها به کدام سو خواهند رفت؟ بنیاد علوم ایالات متحده هر دهه یکبار کارگاهی برگزار میکند که هدف آن تحقیق در حوزه‌های جدید و نوظهور است.
Tim Lodge، متخصص شیمی بسپارها در دانشگاه Minnesota در شهر میناپولیس و سردبیر مجله Macromolecules اظهار داشت روند کلی در مورد بسپارها که همچنان ادامه دارد به گسترش کاربردهایی مربوط است که پیشتر به روش سنتی از آنها استفاده نشده بود. این توسعه چندی است که با پیشرفت‌ها در هر زمینه از علم بسپار رانده میشود. پژوهشگران روش‌های جدیدی برای سنتز و تحلیل مولکول‌ها، مدل‌های نظری بهبود یافته و همچنین بسپارهایی مشابه بسپارهای یافت شده در طبیعت را عرضه کردهاند. به عقیده Lodge نگرش به علم بسپار تغییر کرده است و دانشگاه‌ها دیگر بسپارها را به خاطر کثیفی زیاد، کاربردی و صنعتی بودنشان کنار نمی‌گذارند. تقریبا در هر دانشکده شیمی کسی است که روی بسپار کار میکند و پژوهش‌های پیشرو در زمینه بسپار بیش از پیش میان‌رشته‌ای است.
پژوهشگران جعبه ابزاری در حال رشد از فنون در اختیار دارند که با آن میتوانند ساختار مولکولی رشته‌های بسپار ایجاد کنند، اما اغلب قادر به پیشبینی این موضوع نیستند که آیا آمیزه حاصل، ویژگی‌های موردنیاز برای کاربردهایی نظیر غشا (membrane) یا سامانه دارورسانی را دارد. فائق آمدن بر این چالش نیازمند درک بسیار عمیق‌تری از این است که چگونه ساختار شیمایی بسپار بر خواص فیزیکی آن، در هر مقیاسی، از نانومتر تا متر، اثر می‌گذارد.
بسپارهای جاویدان
بسپارها همه جا هستند و مشکل همین جاست. طبق نظر Marc Hillmyer مدیر مرکز بسپارهای ماندگار (CSP) در دانشگاه Minnesota، اکثر بسپارهایی که در زندگی روزمره از آنها استفاده میشود، فرآورده‌هایی بر پایه نفت هستند که نه تنها در استفاده با‌دوام هستند، بلکه به صورت ضایعات نیز عمر طولانی دارند. برآورد شده است که ۸۶ درصد از بسته‌‌بندی‌های پلاستیکی پیش از اینکه دور ریخته شوند، فقط یکبار مورد استفاده قرار گرفته‌اند، همین موضوع میزان انبوهی زباله در آبراه‌ها و مکان‌های دفن زباله به وجود آورده است، آلاینده‌ها را آزاد کرده و حیات وحش را به خطر انداخته است.
به همین دلیل است که در دهه اخیر، علاقه‌ی وافری به بسپارهایی که از منابع تجدید‌پذیر تهیه شده‌اند و به آسانی و بی‌ضرر زیست‌تخریب می‌شوند، به وجود آمده است. بسپارهایی بر پایه نشاسته طبیعی اکنون در بازار موجودند؛ برای مثال پلی‌لاکتیک اسید (PLA) مصنوعی که از اسید لاکتید یا لاکتیک گرفته شده از منابع زیستی ساخته میشود در محصولاتی مانند کیسه‌های چای، کاشتنیهای (implant) پزشکی یافت می‌شوند.
بسپارهای ماندگار (sustainable) هنوز کمتر از ۱۰ درصد کل بازار پلاستیک را تشکیل می‌دهند. اولین مانع این است که هزینه بسیار زیادی دارند و دیگر اینکه تکپار سازنده بسپارهای طبیعی، تمایل به داشتن اتم‌های اکسیژن بیشتری نسبت به هیدروکربن‌های فسیلی حاصل از نفت خام دارند. این موضوع بر خواص بسپارها اثر می‌گذارد، برای مثال سفتشوندگی (stiffening) مواد در گذر زمان، که جایگزینی مستقیم پلاستیک‌های انعطافپذیری همچون پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن را برای آنها دشوار می‌سازد. تبدیل بسپارهای طبیعی به همتای دقیق مولکولی بسپارهای رایج، نیاز به دانش شیمی پیچیدهای دارد.
یک رویکرد دیگر، تقویت بسپارهای ماندگار همچون PLA از طریق آمیختن آنها با بسپارهای مرسوم است. این روش معایبی دارد همچون کمتر شفاف (transparent) ساختن برخی پلاستیک‌ها. اما پژوهشگران CPS توانستند این مشکل را با افزودن تنها ۵ درصد وزنی از بسپار ارزان پایه نفتی که شامل بخش‌های آبگریز و آبدوست است، برطرف کنند. این افزودنی‌ها برای ایجاد ساختارهای کروی با هم خوشه می‌شوند که پایداری PLA را بدون کاهش شفافیت فراهم می‌سازند.
همچنین گروه Hillmyer نوعی تقریبا قابل بازیافت از اسفنج پلییورتان ساخته‌اند که در تعدادی از محصولات، از جمله عایق‌بندیها، کوسن‌های صندلی و واشر‌ها یافت میشود. این پلییورتان از یک بسپار ارزان قیمت به نام پلی بتا متیل دلتا والرولاکتون (PMVL) بر پایه تکپارهای ساخته شده از باکتری‌های اصلاح شده، تهیه شده است. گرمایش اسفنج تا بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد موجب تجزیه پلییورتان شده و در نتیجه تکپارها میتوانند دوباره استخراج و استفاده شوند.
هنوز مشخص نشده است که آیا این بسپارهای ماندگار میتوانند تجاریسازی شوند یا خیر.
به نظر Hillmyer بزرگترین چالش این است که کار در مقیاسی انجام شود که به لحاظ اقتصادی مطلوب باشد. او فکر میکند که این موضوع، نیاز به ایجاد قوانین طراحی جامع دارد که پیشبینی کند چگونه ساختار شیمیایی تکپار بر آهنگ، دما و عملکرد واکنش‌های بسپارش تاثیر می‌گذارد و چگونه بسپارهای حاصل با مواد دیگر برهمکنش دارد. همچنین گروه او راهنمایی برای اجزای سازنده PMVL تدوین کردهاند. به همین دلیل در سال ۲۰۱۵ شرکتی در مرکز CSP با نام Valerian Materials به منظور بهره‌برداری از این اصول تاسیس شده است.
برخی از پژوهشگران ترفند دیگری را دنبال میکنند، آنها به جای اینکه تکپارهای پایه زیستی را با یکدیگر ترکیب کنند در حال فراگیری استفاده از بسپارهای طبیعی به طور مستقیم هستند. برای مثال، سلولز از به زنجیر کشیده شدن مولکولهای گلوکز حاصل میشود که یا لیفچه‌های (fibrils) محکم را به وجود می‌آورد و نتیجه آن، ایجاد دیواره سخت سلولی گیاهان است.
زنجیرهای سلولز در بسیاری از نقاط، تکه‌های بلوری را تشکیل می‌دهند که تا ۲۰ نانومتر عرض و صدها نانومتر طول دارند و میتوانند به صورت شیمیایی از مغز ساقه سلولز استخراج شوند.
پژوهشگران می‌گویند که این بلور‌ها میتوانند به عنوان چندسازههای مقاوم، اسفنج‌های عایقبندی شده، دارو و ایجاد داربست (scaffold) برای ترمیم بافت، استفاده شوند.
در حال حاضر نانوبلورهای سلولز و نانولیفچه‌های بلندتر آن در مقیاس تجاری تولید می‌شوند اما کاربردهای تجاری آن جز برای سفت شدن کاغذ یا غلیظ شدن سیالات پیش نرفته است.
Christoph Weder، مدیر موسسه Adolphe Merkle در دانشگاه Fribourg سوئیس اظهار داشت برای کاهش هزینه‌ها و نشان دادن مزایای منحصر به فرد بسپارهای ماندگار، باید بسیار بیشتر تلاش کرد و نیاز به یک نقشه راه برای بسپارهای پایه زیستی است.
سرمایه‌گذاری با ریسک زیاد
در یک دنیایی که آشفتگی در آن موج می‌زند، بسپارها میتوانند کمی از آشفتگی آن کم کنند و نظم از دست رفته را به زندگی بازگردانند. در حال حاضر غشاهای بسپار به عنوان غربالگرهای مولکولی برای جداسازی گازها، نمک‌زدایی آب دریا و حفظ مولکول‌ها در برابر گسستگی در داخل پیلهای سوختی، استفاده می‌شوند.
به نظر Lodge مشکلات زیادی وجود دارد که میتواند با غشاهای بهتر حل شوند. جداسازی مخلوط‌ها به وسیله غشاها انرژی بسیار کمتری نسبت به تقطیر میگیرد، زیرا در این روش مایع در دماهای مختلف گرم میشود تا اجزای تشکیلدهنده آن تبخیر شود. همچنین این روش نیاز به فضای بسیار کمتری نسبت به برج عاریساز (روتساز) (scrubber) دارد. برج عاریساز، دستگاهی است که در آن آلاینده‌ها از طریق واکنش‌های شیمیایی به دام می‌افتند.
غشاهای ساخته شده از بسپارها نه تنها برای تولید در مقیاس زیاد ارزان هستند، بلکه میتوانند بخش‌های بزرگی را بدون ایجاد نقایص ساختاری که اجازه ورود مولکولهای اشتباه را می‌دهند، پوشش دهند.
در حال حاضر غشاهای جداکننده گاز به صورت صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا هیدروژن و دیاکسیدکربن را از گاز طبیعی جدا کنند، اما غشاهای بهبود یافته وظایف سخت‌تری را به عهده دارند مانند تشخیص دادن هیدروکربن‌های پروپان و پروپیلن که بسیار شبیه به هم هستند. غشاهایی که از لحاظ ساختار شیمیایی پابرجا (robust) هستند میتوانند در دماهای بیشتر استفاده شوند تا دیاکسیدکربن را از گاز‌های گرم موجود در دود‌کش‌ها حذف کنند.
Benny Freeman، متخصص شیمی غشا از دانشگاه تگزاس در آستین، امیدوار است که عملکرد فاضلاب را با عملیات شکست گاز بهبود بخشد. در این عملیات آب به درون سنگ رانده شده تا شکافی ایجاد کند و موجب آزاد شدن گاز طبیعی شود. این آب پس از استفاده، به قدری کثیف است که غشاهای تصفیه استاندارد به سرعت میگیرد. بنابراین آب باید با فشار زیاد اعمال شود تا از میان غشاهای مسدود شده عبور کند. این غشاها باید با مواد شیمیایی که طول عمر آنها را کوتاه میکنند، تمیز شوند.
اکنون Freeman، با ساخت غشاهایی با پوشش نازک از پلیدوپامین (polydopamine) که مشابه چسب ضدآبی که توسط صدفها برای چسبیدن به سنگها استفاده میکنند، عمل میکند، راهی برای برطرف کردن این مشکل پیدا کرده است.
در یک واحد تصفیه آب در نزدیکی Fort Worthتگزاس، پوشش پلیدوپامین فشار مورد نیاز برای عبور آب از غشا را نصف میکند که میتواند موجب سامانه‌های تصفیه کوچکتر و کارآمدتر شود.
این گروه قبلا از این غشاها برای ساخت واحدهای نیروی دریایی ایالات متحده استفاده کرده است، به طوری که کشتی‌ها میتوانند گنداب روغنی کشتی را قبل از تخلیه کردن تصفیه کنند.
در دسامبر سال ۲۰۱۵، دولت آمریکا یک فضاناو به آب انداخت تا ماندگاری آب را تقویت کند. به عنوان بخشی از این پروژه، وزارت انرژی آمریکا قصد دارد تا در سال ۲۰۱۷ یک مرکز تحقیقاتی برای نمک‌زدایی آب تاسیس کند. Freeman نقش غشاهای بسپار را در این تلاش بزرگ میداند.
برای طراحی غشاهای نمک‌زدای بهتر، پژوهشگران باید بتوانند پیشبینی کنند که چگونه عواملی مانند توزیع گروه‌های شیمیایی در یک بسپار بر تراوایی (permeability) یون‌ها تاثیر می‌گذارد.
در اوایل سال ۲۰۱۶ Freeman اولین مدل خود را در این زمینه منتشر نمود. این مدل، شیمیدانان را قادر می‌ساخت تا از طریق طراحی استخلافهای (substituents) شیمیایی و اتصال عرضی مولکول‌ها، خواص معینی را در غشا ایجاد کنند.
غشای جداسازی نهایی میتواند فقط یک مولکول ضخیم باشد. این بسپارهای دو بعدی به دنبال موجی از شور و اشتیاق برای مواد تک لایه‌ای هستند که بیش از یک دهه قبل کنارهگیری گرافن را به همراه داشتند.
بسپارهای تخت صرفا فیلم‌های بسیار نازکی از بسپارهای خطی نیستند و ذاتا دارای ساختار شیمیایی دو بعدی هستند که مانند تور ماهیگیری، شبکه‌ای منظم و تکراری با ابعادی به اندازه مولکول‌ها دارند. همچنین آنها میتوانند طیف وسیعی از آرایش شیمیایی را روی سطوح خود داشته باشند به طوری که هر بازه میتواند کاملا مهندسی شود تا مولکولهای مشخصی را از طریق آن عبور دهد و مسیر مولکولهای دیگر را ببندد. اما ایجاد بسپارهای دو بعدی سخت است، اگر فقط یکی از منفذهای در حال رشد شبکه به دلیل یک روش اشتباه بسته شود غشا به یک آشفته بازار سه بعدی تبدیل میشود.
Dieter Schlüter، متخصص شیمی بسپار در موسسه فناوری سوئیس فدرال در شهر زوریخ، بیش از یک دهه بود که برای حل این مشکل در تلاش بود تا اینکه در سال ۲۰۱۴ توانست موفق شود. روش او به همراستایی دقیق تکپارهای از پیش طراحی شده برای تشکیل بلور تکیه دارد.
در این روش، پس از تابش نور آبی، یک واکنش شیمیایی بین تکپارهای درون یک صفحه رخ میدهد تا یک بلور جدید از لایههای برهمچین بسپاری شکل گیرد (شکل 1). این لایهها میتوانند به صورت ورقهای دو بعدی مجزا که ضخامت آنها به اندازه یک تکپار است تقسیم شود.
(ادامه دارد …)
متن کامل این مقاله را در شماره 191ام ماهنامه بسپار که در نیمه مردادماه منتشر شده است بخوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد.
