ابتكر علماء جامعة جنوب الأورال الحكومية طلاءًا «ذكيًا» يمكنه تنقية هواء المدينة من الرصاص والزرنيخ والمواد الخطرة الأخرى

الطبيعة نفسها اقترحت الفكرة على العلماء.

«تنقي النباتات الهواء عن طريق امتصاص الغبار متناهية الصغر من خلال الثغور الموجودة على سطح الأوراق, – تقول تاتيانا كروبنوفا، الأستاذة المشاركة في قسم البيئة والتكنولوجيا الكيميائية في معهد العلوم الطبيعية والدقيقة بجامعة جنوب الأورال الحكومية. –   تعمل الثغور مثل المضخات الصغيرة، حيث تقوم بتبادل الغازات بين النبات والجو. أظهر فريق مختبر المشاكل البيئية للتكتل ما بعد الصناعي، في سياق البحث الذي تدعمه مؤسسة العلوم الروسية وحكومة منطقة تشيليابينسك، أن تراكم المعادن في أوراق الأشجار يحدث على وجه التحديد بسبب امتصاص متناهي الصغر للغبار من خلال الثغور».

غالبًا ما يُشار إلى الجسيمات الدقيقة المحمولة جوًا باسم PM10 وPM2.5. يميز المنخفض قطر الجسيم: لا يزيد عن 10 ميكرون ولا يزيد عن 2.5 ميكرون. يوجد مقياس أسفل الصورة تم التقاطة بالمجهر الإلكتروني. ومنه نرى جسيمًا عالقًا في الثغور يبلغ حجمه حوالي 5 ميكرون. الغبار مثل الغبار. مما يتكون؟ يساعد في اكتشاف ذلك مرفق مضان الأشعة السينية، والذي بفضله سيتم «تسليط الضوء» على كل عنصر من عناصر الجدول الدوري».

يتضمن تكوين جسيم الغبار ،  الكالسيوم والكربون والأكسجين والسيليكون والألمنيوم. وهذا ليس مخيفًا: فالألومينوسيليكات والكربونات هي تركيبة شائعة لغبار الشوارع. ومما يثير القلق الأكبر الزرنيخ (As) والرصاص (Pb). لذلك، من المهم للغاية في المدن الصناعية إزالة ونقل الأوراق من المروج القريبة من المؤسسات، وإلا فإن الرصاص والمواد الخطرة الأخرى ستبقى في التربة، ومعها جزيئات الغبار، سوف تسد ثغور الأوراق ورئتينا مرة أخرى.

أحد اتجاهات العلم الحديث هو استخدام التقنيات الشبيهة بالطبيعة. لماذا لا «ننسخ» ما خلقته الطبيعة على مر القرون، وما تم تحسينه خلال التطور؟ فكر علماء جامعة جنوب الأورال الحكومية في تطوير أغلفة يمكن أن تمتص مسامها الجسيمات الدقيقة والنانوية، مثل ثغور الأوراق.

كان الأساس لمثل هذه الطلاءات هو جزيئات كروية متوسطة الحجم من أكسيد التيتانيوم. تم تصنيعها من قبل كيميائيين من قسم البيئة والتكنولوجيا الكيميائية بجامعة جنوب الأورال الحكومية ونشروا مقالًا عنها في «مجلة المواد الصلبة غير البلورية»  (“Journal of Non-Crystalline Solids”) التابعة لدار نشر «إلزفير» المرموقة.

ألقِ نظرة على الرسم التوضيحي لكيفية ظهورها تحت المجهر الإلكتروني. الكرات الصغيرة اللطيفة مناسبة «كمواد بناء».

اتضح أنه إذا تمت إضافتها إلى سيليكات البوتاسيوم أو زجاج البوتاسيوم السائل، فمن الممكن الحصول على طبقات مسامية تحتفظ بجزيئات الغبار الصناعي الناعم. ونشرت تاتيانا كروبنوفا وزملاؤها هذا الاكتشاف في المجلة اليابانية الدولية لجيومات (International Journal of Geomate) في أوائل عام 2023.

وإليكم الصور قبل وبعد بالمجهر الإلكتروني. تظهر مسام الطلاء على اليسار، وقد دخلت جزيئات الغبار إليها بالفعل على اليمين.

«تقول تاتيانا كروبنوفا: بناءً على هذا الاكتشاف، اقترحنا تركيبة لطلاء الواجهة السيليكاتية وقدمنا ​​طلبًا إلى الخدمة الفيدرالية للملكية الفكرية. - موظفو جامعة جنوب الأورال الحكومية هم أول من اقترح تركيبة طلاء خاصة بوظيفة تنقية الهواء من الجزيئات الدقيقة للغاية».

هذا الطلاء صديق للبيئة تمامًا، ولا يحتوي على مكونات عضوية. ويمكن استخدامه ليس فقط لطلاء واجهات المنازل، ولكن أيضا المباني الصناعية. على طرقات المدينة، يمكن استخدام الطلاء «الذكي» لتغطية الأرصفة أو وضع علامات على الطريق. في الحالة الأولى، سيكون الطلاء قادرا على التقاط الجزيئات الدقيقة من الغبار الصناعي، وفي الحالة الثانية، غبار النقل غير العادم الناتج عن تآكل سطح الطريق أو الإطارات. لإزالة «الثغور» المسدودة، ما عليك سوى شطف السطح تحت ضغط الماء، وسيعمل الطلاء مرة أخرى كفلتر.

ويعمل علماء تشيليابينسك الآن على اختيار تركيبة تسمح للطلاء ليس فقط بامتصاص الغبار، ولكن أيضًا بإزالة الملوثات العضوية من الهواء. أظهرت الدراسات الميكروبيولوجية أن معلقات بعض حبيبات أكسيد التيتانيوم المحفزة ضوئيًا فعالة في قتل بكتيريا الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية.

هذا ما تبدو عليه تحت المجهر الإلكتروني: غلاف «أوكسيتيتانيوم» يحيط بالبكتيريا، مثل الصدفة، و«يضغطها» للخارج. بمعنى آخر، تحت تأثير أكسيد التيتانيوم، تأخذ بكتيريا الإشريكية القولونية شكل بكتيريا الكوكو، ومن ثم يتم تدميرها بالكامل وتصبح غير قابلة للحياة.

«لقد اكتشفنا مثل هذه الخصائص لأول مرة ولم يتم نشرها بعد؛ نحتاج إلى فهم الآلية بالتفصيل وشرح الظواهر التي تم الحصول عليها, - تقول تاتيانا كروبنوفا. نحن نعمل على تركيبة طلاء من شأنها تنقية الهواء وتعقيمه. ستكون هناك حاجة لإجراء اختبارات معملية أولاً، ثم إجراء دراسات في ظروف حقيقية».

تم تنفيذ البحث والعمل المذكور في المقال بدعم من ميغاغرانت في إطار مشروع «الأولوية  - 2030».