مجلة ثقافية منوعة تصدر كل شهرين

البوليمر: ثورة متجدِّدة بعد 100 عام على اكتشافه

د. فهيد محمد السبيعي
أستاذ بحث مشارك المشرف على الإدارة العامة لمختبرات البحث والتطوير ، مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية

تُعدُّ هندسة المواد من أقدم العلوم التطبيقية في التاريخ. فمن استخدام النار وصناعة الخزف في العالم القديم، إلى التعدين في العصر البرونزي، نشأ لاحقاً علم المواد الحديث. ومنذ ستينيات القرن العشرين، لم يعد هذا العلم مقتصراً على المعادن، بل أصبح يضم كل أنواع المواد التي يمكن تصنيفها إلى ثلاث مجموعاتٍ متميزة: الخزفيات (السيراميك) والمعادن والبوليمرات.

كان التطوُّر العلمي الأول، على الصعيد النظري، قد حدث في القرن التاسع عشر مع التقدُّم في علم الفيزياء والكيمياء والرياضيات، وفهم أسباب الخصائص المختلفة لكل مادة عن الأخرى. وذلك عندما أوضح العالِم الأمريكي جوشيا ويلارد جيبس 1903-1939م أن هذه الخصائص الفيزيائية للمادة مردّها إلى الخصائص الديناميكية الحرارية المتعلِّقة بتركيب ذرات هذه المواد في مراحل مختلفة. فتح ذلك الباب واسعاً لتصنيع مواد جديدة ليست موجودة في الطبيعة.

انطلاقاً من كل ذلك، يشهد العالم حديثاً تطوراً سريعاً في علم وهندسة المواد، حيث أصبح من الممكن تحضير وتصميم مواد عالية الأداء لها خصائص متفرِّدة تحتاجها تقنيات وصناعات حديثة. وقد نشأ مصطلح جديد في علم المواد لم يُعرف من قبل، هو المواد المتقدِّمة أو الخارقة (Metamaterial) وهي مواد جديدة تم تطويرها، لها وظائف تتجاوز تلك الموجودة في المواد الطبيعية. أحدث ذلك ثورة حوَّلت العالَم من مستهلك يعتمد على المواد الخام الطبيعية، إلى عالَم مُنتج لمواد جديدة لها صفات رائعة كتلك التي يتمتع بها البوليمر.

من أشهر البوليمرات الطبيعية، المطاط أو اللاتكس وهو بوليمر هيدروكربوني طبيعي موجود في عصارة بعض النباتات. كما أن عديداً من الجزيئات البيولوجية هي أمثلة على البوليمرات الطبيعية، مثل الكربوهيدرات.

مئة عام على اكتشاف البوليمر
يحتفل مجتمع الكيمياء وعلم البوليمر على وجه الخصوص هذه السنة بمرور 100 عام على ظهور علم الجزيئات الكبيرة (Macromolecules) أو كما هي شائعةٌ تسميته: البوليمر (Polymer). فقبل قرن من الزمن وبالتحديد في عام 1921م قام العالِم الألماني هيرمان ستودنجر بتأسيس المفهوم الحاضر لنظرية تكوُّن البوليمرات، وتُعدُّ ورقته العلمية التي عنونها بـ”On Polymerization” ونشرها في “مجلة الكيمياء التطبيقية” أول ورقة تُنشر في هذا المجال لترسم خارطة الطريق لابتكارات واكتشافات وصناعات غيَّرت وجه العالم.

والبوليمر نوعان: البوليمر الطبيعي والبوليمر الاصطناعي. البوليمر الطبيعي
من أشهر البوليمرات الطبيعية، المطاط أو اللاتكس وهو بوليمر هيدروكربوني طبيعي موجود في عصارة بعض النباتات. كما أن عديداً من الجزيئات البيولوجية هي أمثلة على البوليمرات الطبيعية، مثل الكربوهيدرات: النشا، والسليلوز والجليكوجين، والبوليمرات التي تتكوَّن أجزاؤها من المونومرات (جزيئات أحادية لها القدرة على الارتباط الكيميائي مع الجزيئات الأخرى في سلسلة طويلة) كالأحماض النووية DNA وRNA المتكوِّنة من 4 نيوكليوتيدات كوحدات مختلفة. وقد ألهمت هذه البوليمرات الطبيعية الباحثين والعلماء في عملية تحضيرها وتقليد أشكالها البنائية كمحاولة لتصنيعها وإنتاجها بشكل أكبر وتقديمها للسوق.

البوليمر الاصطناعي
البوليمرات الاصطناعية الأكثر شيوعاً هي المواد البلاستيكية مثل البولي إيثيلين والنايلون والبوليسترين أو البولي يوريثان أو البولي أميدات. كما أصبحت البوليمرات الاصطناعية المصنوعة من أحماض الجليكوليك واللاكتيك وغيرها من المواد القابلة للتحلل الحيوي شائعة بشكل متزايد في التطبيقات الطبية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك يوجد في الوقت الحاضر مواد بلاستيكية قابلة للتحلل يمكن استخدامها كبديل.

وتُعرف البوليمرات التي يصنعها الإنسان والتي تتفاعل مع محيطها بالبوليمرات الذكية، أو البوليمرات المستجيبة للظروف المحيطة بها مثل درجة الحرارة والحامضية، ويمكن استخدامها لمجموعة متنوِّعة من الأغراض في تكنولوجيا الطب الحيوي، ولعبت البوليمرات الاصطناعية دوراً مهماً في العالَم حيث توجد على سبيل المثال لا الحصر في الزراعة والطب والتكنولوجيا والرياضة والصناعة وغير ذلك.

وقد يتبادر إلى الذهن سؤال حول سبب وجود البوليمرات في كل مكان في الحياة اليومية. والإجابه بكل بساطة هي أن خواص المواد البوليمرية الكيميائية منها والفيزيائية متعدِّدة ومتنوِّعة ويمكن تعديلها لتكون مجدية وتفي بالطلب اليومي مقابل رخص ثمنها مقارنة مع المواد البديلة كالخشب والزجاج والجلد وغيرها. في الواقع من المستحيل تخيل حياتنا اليوم بدون بوليمرات.

البوليمر وسلبيات البلاستيك
هناك فكرة عامة خاطئة حول تعريف البوليمرات على أنها مواد بلاستيكية؛ وبالتالي يمكن أن تلحق الضرر بالبيئة. إن البلاستيك عبارة عن فئة واحدة من فئات البوليمر؛ وليست جميع البوليمرات مواد بلاستيكية. ولعل أحداث 2020م وجائحة وباء كورونا كشفت بشكل جلي أهمية البوليمر كمنتجات طبية وقائية (ذات الاستخدام الواحد) تم الاعتماد عليها بشكل كبير في عملية التصدي لانتشار الوباء من خلال الاستخدام العام للكمامات والألبسة الوقائية للعاملين في المجال الصحي.

هناك فكرة عامة خاطئة حول تعريف البوليمرات على أنها مواد بلاستيكية، وبالتالي يمكن أن تلحق الضرر بالبيئة. إن البلاستيك عبارة عن فئة واحدة من فئات البوليمر؛ وليست جميع البوليمرات مواد بلاستيكية.

التركيب الكيميائي للبوليمر
البوليمر مركب كيميائي يتألَّف من وحدات أو جزيئات مكرَّرة تسمى مونوميرات (Monomers)، ومرتبطة مع بعضها بعضاً كيميائياً. ولهذا السبب سُمي البوليمر بهذا الاسم، فهو مؤلف من جزئه الأول “Poly” ومعناه “عديد” والجزء الثاني “mer” ويقصد به “جزيء”. تترابط هذه المونوميرات، والمشتقة من النفط أو الغاز الطبيعي، لتكوِّن السلسلة البوليميرية. ويحضر عن طريق عمليات تسمى البلمرة (Polymerization)، تحت ظروف تفاعل محدَّدة، التي يتم فيها تحويل مادة المونيمر إلى بوليمر بواسطة حفَازات كيميائية. كما إن أحجام هذه الجزيئات الكبيرة وتركيباتها البنائية وطريقة ترابطها تُكسب هذه المواد خصائصها وصفاتها التي على أساسها يمكن استغلالها في تطبيقات وظيفية تخدم مجالات واحتياجات الحياة اليومية.

اكتشافه
أول بوليمر تم تحضيره ودراسته هو بولي إيزوبرين (Polyisoprene) أو ما يعرف تجارياً بالمطاط، ليفتح المجال لتحضير آلاف المواد البوليميرية المعروفة في وقتنا الحاضر. انتشرت بعدها وتطورت الأبحاث العلمية الخاصة بدراسة المواد البوليميرية من المصادر الطبيعية. فقد أسهم العالِم الأمريكي والاس كاروثرز 1896-1937م، الذي يُعدُّ رائداً في مجال تصنيع البوليمرات الصناعية، بتحضير مادة النايلون (بولي أميد Polyamides)، التي أنتجته الشركة الأمريكية دوبونت “Du Pont” عام 1929م لأول مرَّة.

قياس سماكة كيس بلاستيكي من نوع البولي بروبلين لفحص الجودة والتحكم بها قبل استخدامها في صناعة الأكياس البلاستيكية

وتُعدُّ الثلاثينيات والأربعينيات من القرن الماضي العصر الذهبي لتطوير وتصنيع البوليمرات. وانتشرت منذ الحرب العالمية الثانية تقنيات التحضير والتوصيف للبوليمر، حيث بدأت تظهر في الأسواق على نطاقٍ واسعٍ مواد مثل بولي فينيل كلوريد (PVC) والبولي ستايرين (PS) وغيرها. وفي عام 1963م حاز العالِمان الألمانيان كارل زيكلر وجيوليو ناتا جائزة نوبل للكيمياء لتطويرهم محفِّز كيميائي يمكن استخدامه للتحكم في عمليات البلمرة. مهَّد ذلك الطريق لإنتاجٍ تجاريٍ ضخم لأكثر البوليمرات السلعية البلاستيكية المستهلكة في وقتنا الحاضر مثل بولي إيثيلين (PE) وبولي بروبلين (PP) وغيرها كثير.

القفزة النوعية الثانية
شهدت بداية الألفية عام 2000م القفزة النوعية الثانية، التي تُعدُّ ثورة في علم البوليمر وتقنيات الأجهزة الإلكترونية. إذ دخل البوليمر عالم الموصّلات الكهربائية التي يمكن تصميمها لتحقيق الوظائف الإلكترونية والبصرية المرغوبة. هذا الاختراق التقني المهم سيحدث ثورة في معظم عالَم التكنولوجيا الذكية والروبوتات، كما بدأت الأخبار العلمية تتوالى.

سيشكِّل هذا التطوُّر الكبير في موصلية البوليمر للكهرباء، مضافاً إليها قابليته للغزل والنسج، دفعاً قوياً جداً للتقنيات الذكية الملبوسة وجلود الروبوتات. إذ من المعروف أن إحدى العقبات الرئيسة لتطوُّر الروبوتات هي حاسة اللمس. ويقول في هذا الصدد راجیش شیلاتون، أحد الباحثين من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست)، في المملكة العربية السعودية، الذين ابتكروا مؤخراً حلاً لهذه العقبة، إن الباحثين استخدموا، حتى الآن، مواد مختلفة لتصنيع مكوّنات الاستشعار والأسلاك الموصلة، وهو ما زاد عملية التصنيع تكلفة وتعقيداً، ويوضِّح قائلاً: “إن هدفنا هو دمج الاستشعار والقدرة على التوصيل الكهربائي في المادة نفسها”. وهذا ما وجدوه في البوليمر المرن المزوَّد بأسلاك نانوية متناهية الصغر، ويُعدُّ كل سلك منها موصّلاً بذاته.

شهدت بداية الألفية عام 2000م القفزة النوعية الثانية، والتي تُعدُّ ثورة في علم البوليمر وتقنيات الأجهزة الإلكترونية. إذ دخل البوليمر عالم الموصّلات الكهربائية والتي يمكن تصميمها لتحقيق الوظائف الإلكترونية والبصرية المرغوبة. هذا الاختراق التقني المهم سيُحدث ثورة في معظم عالَم التكنولوجيا الذكية والروبوتات، كما بدأت الأخبار العلمية تتوالى.

كما تعتمد حالياً صناعة السيارات والطائرات بشكل كبير على المنتجات البوليميرية. فالسيارة الواحدة، كمعدل عام، باتت تستهلك حوالي ربع طن من المواد البوليميرية في الإطارات والدهانات والمقاعد والأغطية وغيرها؛ وكذلك هي حال الطائرات والقطارات والشاحنات. وفي مجال آخر أكثر أهمية استبدل الطب كثيراً من أدواته بمواد مصنعة من البوليمر، كما تمَّ استبدال كثير من الأجزاء العضوية في جسم الإنسان بمواد متقدِّمة لها وظائف خاصة مؤلفه من البوليمر. وكان لقطاع الزراعة النصيب الوافر من تلك المواد المتقدِّمة والتقنية المتطوِّرة، حيث إنه أصبح من الممكن الزراعة بدون تربة مما يساعد في تقليل الاستهلاك والهدر المائي والتحكم بمستوى جودة المحاصيل.

باختصار، فإن المنتجات البوليميرية بدأت تحل مكان المنتجات التقليدية أو الطبيعية وذلك لسهولة تصنيعها وقلة تكلفتها. ومن الجيد ذكره أن الصناعات التحويلية بما فيها صناعة البوليمرات أحد أهم الروافد الاقتصادية للمملكة العربية السعودية لدعم إنتاجها وميزانياتها. كما أشارت رؤية 2030 إلى تعظيم الناتج المحلي من الصناعات التحويلية وتعزيز تنويع القاعدة الاقتصادية والصادرات غير النفطية.

آفاق مستقبلية
تتعدَّد آراء المختصين حول أين يجب أن تتركز الجهود العلمية المتعلقة بتطورات مستقبل البوليمر. بعضهم يشير إلى ضرورة الاستمرار في التركيز على تطوير بوليمرات ذات خصائص وتطبيقات جديدة كما هي الحال في الوقت الراهن. حيث إنَّ التطوُّر السريع في تقنيات التحضير وتوصيف الهياكل البنائية للبوليمرات يجعل من تطوير مواد متقدِّمة وذات خصائص جديدة متوفراً. لكن وعلى الرغم من التقدُّم الكبير والمذهل الذي تحقق، فإن كثيراً من الباحثين الذين يدفعهم الفضول وحس الإبداع لاكتشاف بوليمرات متفرِّدة لها وظائف محدَّدة محبطون من قصور التقنيات التحليلية المتوفرة عن تفسير أكثر خصائص اللزوجة تعقيداً والموجودة في البوليمر.

ويرى البعض الآخر أن التوسع في استخدام البوليمر في المستقبل خاصة بالتكنولوجيا العالية والفضاء وزيادة الرقمنة في حياتنا اليومية كالتشغيل الآلي والبيوت الذكية والمدن الذكية يحتاج قدراً كبيراً من الأنظمة الذكية التي يدخل البوليمر كمكوِّن رئيس لها، يجعل اكتشاف طرق تحضير جديدة متوافقة مع موضوع الاستدامة سيكون محل الاهتمام للسنوات المقبلة.

إن طريقة تحضير البوليمر مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بخواصه، بمعنى أن تطوير تقنية جديدة لتحضير البوليمر من شأنه أن يزوِّد البوليمر بخصائص جديدة. ولكن الأمر ليس بهذه البساطة! حيث إن إيجاد بوليمر جديد له تطبيق في نشاطات الحياة مثل البولي إيثيلين والبولي أميد يُعدُّ بحد ذاته أمراً صعباً للغاية. إن القيود التي تفرضها مؤسسات التصنيع والابتكار وحماية البيئة من حيث استدامة المواد الجديدة ومدى صداقتها للبيئة تجعل هذه المهمة شبه مستحيلة. لذلك تسعى كيمياء البوليمر الحديثة إلى ابتكار طرق تحضير جديدة من شأنها تمكين عمليات البلمرة للمونيمرات المعروفة مسبقاً إلى بوليمرات لها خصائص جديدة ممكن توظيفها لتطبيقات تلبي حاجة القرن المقبل. إن التقدُّم الذي شهدته تقنيات تحضير البوليمر في السنوات الأخيرة، على سبيل المثال تقنية البلمرة المُنضبطة (Controlled Polymerization) تُمكن المهتمين بهذا المجال من التحكم وبشكل دقيق في بناء السلسلة البوليميرية (النمو السلسلي)، ليس هذا وحسب بل يمكن التحكم في الشكل التركيبي والهندسي للبوليمر. هذه الدقة في التحكم في تصميم المواد سوف يفتح المجال لتكوين بوليمرات لها القدرة على التعامل مع الأنظمة الحيوية بطريقة منضبطة للغاية. هذه التقنيات المتقدِّمة التي تزوِّد الباحثين بمعلومات مهمة حول مدى دقة تكوُّن وسلوك السلسلة الأحادية إلى سلوك السلاسل مع بعض يقود إلى جيل جديد من المواد التي لها من الدقة الوظيفية قد يشابه ما هو موجود على سبيل المثال في الأحماض النووية (DNA) ولكن ذلك يحتاج إلى جهودٍ غير عادية.

يبقى موضوع الاستدامة ما يؤرِّق الجميع، باحثين وغيرهم. يُعدُّ بولي حمض اللاكتيك والبوليمرات المتفككة حيوياً والبوليمرات الخالية من بيسفينول، المستخدمة في تغليف الأطعمة من الأمثلة التي تؤكد حرص مجتمع البوليمر على الاستدامة.

الاستدامة
يبقى موضوع الاستدامة ما يؤرِّق الجميع، باحثين وغيرهم. يُعدُّ بولي حمض اللاكتيك والبوليمرات المتفككة حيوياً والبوليمرات الخالية من بيسفينول، المستخدمة في تغليف الأطعمة من الأمثلة التي تؤكد حرص مجتمع البوليمر على الاستدامة. كما يستمر هذا النوع من الأبحاث وحلول الاستدامة لتشمل الزراعة وتوليد الطاقة وتحلية المياه. فالأغشية البوليميرية ذات المسامات النانونية ومواد التعبئة المتفككة حرارياً أصبحت توجه بوصلة البحث خصوصاً مع التزايد المضطرد للتعداد السكاني للعالم الذي يقترب من 10 مليارات نسمة.

كما أن زيادة الوعي حول مشكلة الاحتباس الحراري وتغيُّر المناخ يدفع بجهود الاستدامة في عدَّة مجالات، لا سيما مجال إنتاج البوليمرات وطريقة استهلاكها وتحللها. ومن الأمثلة الحديثة والناجحة على هذا الصعيد هو التطوُّر المتعلِّق بالبولي إيثلين الحيوي (Bio polyethylene) المشتق من قصب السكر ليكون بديلاً جيداً وأكثر أماناً للبيئة. لذلك يتوقع عديد من العلماء أن علم البوليمر المستدام يمكن أن يوفِّر حلولاً مستدامة لتحديات المستقبل مثل تغير المناخ وتوفر المياه النظيفة وغيرها.

في كل الأحوال، يبقى الحل للعقبات من أي نوعٍ، التي تواجه المستقبل، منوطاً بالعلاقة التشاركية بين الأقسام الأكاديمية في الجامعات ومؤسسات البحث والتطوير والصناعة. وعلى الرغم من استمرار الثورة المتعلقة بالبوليمرات بشكل تدريجي على مدار المئة عام الماضية، واكتشاف كثير من التقنيات والتطبيقات المتعلقة بالبوليمرات، إلا أن التنوُّع الواسع في مجال علوم وهندسة البوليمرات لا يزال يَعِد بإمكانات هائلة لتطبيقات جديدة ومثيرة. إن الدعم الصناعي هو العامل الرئيس وراء التقدُّم الكبير في مجال المواد البوليمرية. وتُظهر صناعة البوليمر العالمية أهمية الدعم والاستثمار البحثي في أبحاث البوليمرات من خلال تمويل مشروعات الأبحاث العلمية.


مقالات ذات صلة

خيوط العنكبوت هي من أكثر المواد الطبيعيّة إثارة للدهشة. ويمكن تسميتها بالمواد الفريدة، نظراً لخصائصها المتميِّزة. فقد جاء في مقالة نُشرت في مجلة (e-Polymers)، في شهر أغسطس 2020م، أن متانة خيوط العنكبوت الميكانيكيّة، وطواعيتها مع الحرارة، وتركيبتها، لا تقارَن بما لدى المواد البيولوجيّة الأخرى. وهي تمتلك أيضاً تمغّطاً (elasticity) ومتانة لا مثيل لهما. إن نسبة […]

يزخر جوف الأرض بالطاقة الحرارية الهائلة. وتتدرَّج حرارتها صعوداً كلما اتجهنا للأسفل نحو نواتها. إذ تصل حرارة القشرة الأرضية إلى 200 درجة مئوية عند تماسها مع طبقة الوشاح على عمقٍ يُراوح بين 5 و70 كيلومتراً. وتصل حرارة هذه الطبقة بدورها إلى 4000 درجة عند تماسها مع النواة، على عمقِ 3000 كيلومتر. وتصل حرارة النواة إلى […]

تتيح أجهزة الواقع المُعزَّز (Augmented Reality) إضفاء مُدخَلٍ افتراضيٍ على المشهد الحيّ الحقيقي الذي يحيط بمن يستخدِمها. من الأمثلة على أجهزة الواقع المعزَّز، المناظير والنظارات وحتى العدسات اللاصقة. كذلك يمكن أن يُستخدَم أي هاتف ذكي لأداء الواقع المعزَّز. لقد كان أكثر تطبيقات الواقع المُعَزَّز شيوعاً هو بوكيمون غو (Pokémon Go)، وهو لعبة تحفِّز اللاعبين على […]


0 تعليقات على “البوليمر”


اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *