كشفت دراسة جديدة أجراها باحثون بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين المعرفة الأساسية حول دور التذاوب في ربط الأيونات، وتقدم مسارًا جديدًا للتحكم الكهروكيميائي في انتقائية الأيونات.

ونُشرت هذه الدراسة في دورية JACS Au.

يعتمد الفريق –بقيادة أستاذ الهندسة الكيميائية والبيولوجية شياو سو وطالب الدكتوراه المتخرج حديثًا رايلن تشن- على عملهم السابق في استكشاف الفصل الكهروكيميائي للأيونات، والذي أوضح أن الآلية بالغة الأهمية لربط الأيونات هي التذاوب.

عندئذٍ، شرع الباحثون في التحكم في تذاوب البوليمر واستخدام ذلك لربط الأيونات المختلفة  تحديدًا عبر عملية كهروكيميائية باتباع نهج فريد. ولتحقيق ذلك؛ أنشأوا نظامًا مبلمرًا مشتركًا يحتوي على N-isopropyl acrylamide -والذي ثبت سابقًا أنه بوليمر مستجيب لدرجة الحرارة- وأدخلوا وحدات نشطة الأكسدة والاختزال.

ونظرًا إلى أن المبلمر المشترك يحتوي على وحدتين –وحدة نشطة كهربائيًا، والأخرى هي الوحدة الأصلية المستجيبة للحرارة- فإنه يوجد الآن مساران متاحان للتحكم في التذاوب.

قال سو: “بضبط الجهد الكهربائي، نستطيع إلزام N-isopropyl acrylamide جوهريًا على تلقي الماء أو إطلاقه بناءً على الكيمياء الكهربية”. وأردف: “لذلك عوضًا عن إجراء انتقال حراري على N-isopropyl acrylamide، فإننا نجري انتقالاً كهروكيميائيًا عليه”.

أنتج المبلمر المشترك أغشية هلامية، والتي أصبحت منصتهم لفصل الأيونات التي يمكن التحكم بها بالتذاوب. أجرى الباحثون اختبارات باستخدام قياس إهليلجي في الموقع، وهي طريقة ابتكروها تسمح لهم بمراقبة سُمك انتفاخ الغشاء وإزالته استجابة لإضافة الماء أو إطلاقه بناءً على الكيمياء الكهربية.

وبالتعاون مع فريق بمختبر أوك ريدج الوطني بقيادة جيم براونينج وهانيو وانج وماثيو دوسيت، استخدموا تقنية متقدمة تسمى قياس الانعكاس النيوتروني.

قال سو: “في الأساس، تسمح لك النيوترونات برؤية الأشياء التي يصعب عليك رؤيتها عادةً باستخدام التقنيات القياسية مثل الأشعة السينية”. وأردف: “النيوترونات شديدة الحساسية للماء، لذا يمكنك أن تستنبط منها كمية الماء الموجودة في محتوى المادة”.

وقد تمكنوا من خلال قياس الانعكاس النيوتروني بمتابعة التذاوب، أو بمقدار الماء الموزع عبر الغشاء، وتبين أنه في ظل الجهد الكهربائي، ينتفخ الغشاء لتلقيه الماء. قال سو أن الباحثين تمكنوا من إثبات أنه مع درجات مختلفة من امتصاص الماء، يمكنهم التحكم في الانتقائية الأيونية.

ونظرًا إلى أن عملهم يوفر نظامًا يمكن التحكم به عن طريق درجة الحرارة والجهد الكهروكيميائي، فإنه يُهيّئ الأجواء لمنصة المواد التي يمكن استخدامها في المستقبل في ظل سيناريوهات مستدامة مختلفة –على سبيل المثال- فقد تكون مدعومة بالطاقة المتجددة أو الحرارة المهدرة.

وقال سو: “إن عملنا يعزز مجال الفصل الكهروكيميائي لمعالجة المياه واستعادة الموارد بالتعمق في فهم الآليات الجزيئية”. وأردف: “لتطوير تقنيات أكثر كفاءة وانتقائية في استخدام الطاقة، فإنه من المهم السيطرة على آليات ربط الأيونات بدقة. ونأمل أن يساهم عملنا في تحقيق هذا الهدف بتوضيح أهمية التذاوب”.

المصدر: https://phys.org

ترجمة: د. هدير السقا

مراجعة وتدقيق: زينب محمد