تنقية المياه بقليلٍ من الذرات فقط!

إعداد: جامعة يل Yale University

أظهرت المحفّزات المصنوعة بقليلٍ من الذرات، فعاليةً كبيرةً في مجال معالجة المياه نظرًا لكفاءتها العالية.

تُبين دراسة جديدة سعي الباحثين للنظر في كيفية تحسين أداء هذه المحفزات وإمكانية تطبيقها عمليًّا، وقد نُشرت نتائج هذه الدراسة التي قادها البروفيسور جاي هونج كيم/ Jaehong Kim في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم/ the Proceedings of the National Academy of Sciences.

استقطبت المحفزات النانوية الأنظارَ نحو مجال معالجة المياه خلال العقود القليلة الماضية، لما لها من خصائص فريدة ومفيدة تميزها كمواد نانوية، الأمر الذي دفع الباحثين مؤخّرًا لاستكشاف إمكانيات المحفّزات أُحادية الذرّة.

على الرغم من كونها أصغر بكثير من المواد النانويّة إلا أن بإمكانها توفير كفاءة أكبر.

وفقًا لقول البروفيسور كيم -أستاذ الهندسة الكيميائية والبيئية في ثانوية هنري بيكتون Henry P. Becton-: “يعود ذلك إلى إخفاقنا في تحميل المعادن أحادية الذرة -ذرة تلو الأخرى- على الركيزة فيما مضى، أما الآن فقد نجحنا في ذلك وبشكلٍ كامل، كم هذا رائع! فقد مكننا ذلك من الاستفادة القصوى من كل ذرة”.

وبحسب قوله، تمثّل الكفاءة معيارًا حاسمًا نظرًا لارتفاع ثمن المواد المستخدمة عادةً في صناعة المحفزات، على سبيل المثال: (يعد البلاديوم -البالغ سعره حاليًا حوالي 2000 دولار للأونصة- أحد المعادن الشائع استخدامها في صناعة المحفزات).

ومن خلال المقارنة السريعة، بإمكاننا استيعاب سبب الاهتمام الكبير الذي حظيت به المحفزات أحادية الذرة، فعلى المستوى النانوي تبلغ تكلفة 50 نانومتر من البلاديوم حوالي 37 دولارًا لتغطية مساحةٍ تقدّر ب 250 مترًا مربعًا، علمًا أنّ نسبة تعرض ذراتها للسطح لا تتجاوز 2%.

في المقابل، لا يكلّف البلاديوم أحادي الذرة سوى 17 سنتًا لتغطية مساحةٍ تزيدُ عن 50 ملعب كرة قدم وبكفاءةٍ فائقة بالإضافة لتعرض الذرة بنسبة 100% للسطح.

تكمن أبرز العوائق لاستخدام المحفزات أحادية الذرة في وجود ظروف معينة بإمكانها التقليل من أدائها التحفيزي، وكحلٍّ لذلك يعمل الباحثون حاليًا على استبدال المحفزات المكونة من آلاف الذرات المشكلة للمادة النانويّة بمحفزات أخرى مكونة من مجموعة صغيرة من الذرات تُعرف باسم المجاميع وتتضمن هذه الأخيرة ثلاث إلى أربع ذرات فقط، وبحسب قول البروفيسور كيم فإنها تبدي خصائص أشبه ما تكون بذرةٍ واحدة لكونها كتلة صغيرة، كما أن جميع ذراتها معرّضة للسطح.

لا يزال الباحثون يبحثون عن أفضل الطرق للتحكّم في خصائص هذه المجاميع وتحسين أدائها لأن تصميم هذه المواد لا يزال حديثًا نسبيًا.

على سبيل المثال: (يمكن تعزيز المحفزات أحادية الذرة المعزولة بالكامل عن طريق إضافة عناصر معينة حول المعادن)، وقد حقق كيم وفريقه البحثي في إمكانية التعديل على المجموعات الذرية بالمثل، فقد تضمنت ورقتهم البحثية أول استكشافٍ لإمكانية القيام بذلك.

أنشأ كيم نظامًا مزودًا بمحفّز، مستخدمًا مجموعةً من ذرات البلاديوم بهدف تقليل مادة البرومات المسرطنة في المياه، حيث قاموا بإدخال عناصر غير معدنية كالكبريت والنتروجين والبور إلى محيط مجموعة الذرات تلك، وقد أشارت النتائج العامة إلى تحسّن الأداء التحفيزي للنظام، الذي وصفه كيم بأنه علامة مشجّعة خاصّةً لمعالجة المياه التي يجب أن تكون بأفضل كلفةٍ ممكنة.

وأضاف قائلًا: “في الختام، نأمل الحصولَ على جهازٍ عالي الكفاءة يتضمن هذا المحفز المدمر للملوثات الموجودة في الماء لأنه سيكون أرخص وأكثر فعالية من تصاميم المواد الأخرى”.