پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان از دستاورد تازهای در تبدیل پوستههای گردو به منابع پایدار تولید میکرو و نانوسلولز خبر دادهاند؛ رویکردی که میتواند نقش مهمی در کاهش ضایعات کشاورزی و توسعه مواد زیستی پیشرفته ایفا کند. در این مطالعه، فناوری پلاسما با گسیل تخلیه الکتریکی در سری DBD بهعنوان پیشتیمار بهکار گرفته شده تا ساختار پیچیده و فشرده لیگنوسلولزی پوسته گردو را باز کند و مسیر استخراج الیاف سلولزی را هموار سازد. نتایج نشان داده است که اعمال ولتاژهای ۱۸ و ۲۰ کیلوولت پیش از تیمارهای رایج قلیایی و سفیدکننده، الگوهای تازهای از شکست پیوندهای هیدروژنی، کاهش کریستالینیتی و تبدیل میکروفیبرها به نانوفیبرهای با قطر حدود ۸۰ نانومتر ایجاد میکند. این پژوهش، امکان بهرهبرداری صنعتی از پسماندهای کشاورزی در مقیاس وسیع و تولید مواد پیشرفته با ریشه طبیعی را در چشمانداز قرار میدهد.
تبدیل پوسته گردو به نانوسلولز با کمک پلاسما
با گسترش روند جهانی برای جایگزینی مواد مبتنی بر نفت با منابع زیستی، پژوهش روی الیاف سلولزی با منشأ طبیعی اهمیت فزایندهای یافته است. سلولز که به فراوانترین پلیمر آلی زمین مشهور است، در ساختارهای میکرو و نانومقیاس، کارکردهایی بسیار متنوع دارد؛ از ساخت کامپوزیتهای سبک و مقاوم گرفته تا کاربرد در پزشکی، بستهبندی زیستتخریبپذیر و فناوریهای غشایی. با وجود این ظرفیت گسترده، استخراج سلولز از زیستتودههایی مانند پوسته گردو همچنان فرآیندی پرچالش، زمانبر و وابسته به مواد شیمیایی قوی است. ساختار سخت، فشرده و سرشار از لیگنین پوسته گردو مانعی جدی برای تجزیه، نفوذپذیری شیمیایی و آزادسازی الیاف محسوب میشود.
پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با هدف پاسخ به همین چالش، در مطالعهای تازه به بررسی امکان استفاده از فناوری پلاسما با تخلیه الکتریکی سد دیالکتریک (DBD) بهعنوان پیشتیمار پرداختهاند. ضرورت چنین تحقیقی از اینجا ناشی میشود که تبدیل پسماندهای کشاورزی به مواد پیشرفته، تنها زمانی ارزش صنعتی پیدا میکند که روشهای استخراج، کممصرف، قابلکنترل و سازگار با محیطزیست باشد. پلاسما DBD به دلیل ماهیت غیرحرارتی، توانایی فعالسازی سطحی، تخریب انتخابی پیوندهای آلی و عدم نیاز به مواد شیمیایی شدید، یکی از امیدبخشترین فناوریها برای اصلاح ساختار لیگنوسلولزی به شمار میآید.
در این پژوهش، پوستههای گردو پس از شستوشو و آمادهسازی، بهصورت پودر درآمده و تحت پیشتیمار پلاسما با ولتاژهای ۱۸ و ۲۰ کیلوولت قرار گرفتند. سپس نمونهها در سه مسیر مجزا تیمار شدند: تیمار قلیایی با هیدروکسید سدیم، سفیدکننده با سدیم کلریت، و ترکیب هر دو. یک نمونه کنترل نیز بدون پلاسما تهیه شد تا اثر مستقیم این فناوری قابل سنجش باشد.
بخش نانویی کار دقیقاً جایی است که پیشتیمار پلاسما ساختار پیچیده لیگنوسلولز را بهگونهای تغییر میدهد که مسیر تبدیل میکروفیبرها به نانوفیبر هموار میشود. براساس نتایج، نمونههایی که تحت پلاسما ۲۰ کیلوولت قرار گرفتند و سپس از تیمار ترکیبی قلیایی و سفیدکننده عبور کردند، به متوسط قطر الیاف حدود ۸۰ نانومتر دست یافتند؛ رقمی که نشاندهنده تضعیف و گسست پیوندهای هیدروژنی بین اجزای سلولزی و افزایش جدایش لایهای (delamination) است.
اگرچه پلاسما منجر به کاهش بازده استخراج سلولز از حدود ۲۶ درصد به نزدیک ۲۲ درصد شد، پژوهشگران این پدیده را ناشی از اثر اچکردن (etching) و تخریب سطحی کنترلنشده میدانند؛ اثری که بخشی از اجزای ساختار لیگنوسلولزی را پیش از تبدیل به الیاف سلولزی از بین میبرد. با این حال این کاهش بازده با مزیت مهمی همراه بود: دستیابی به ساختارهای نانوفیبری یکنواخت، سبک و مناسب برای کاربردهای پیشرفته.
تجزیهوتحلیل طیفی (FTIR) و ارزیابی ترکیب سطحی نشان داد که در نمونههای پلاسما-تیمارشده، شدت پیوندهای C-C/C-H و C-OH/C-O-C کاهش یافت. این افت نشاندهنده تخریب پیوندهای مهم در ماتریس لیگنوهمیسلولزی است که معمولاً مقاومت بالایی نسبت به نفوذ مواد شیمیایی دارد. کاهش شاخص کریستالینیتی سلولز نیز نشانه دیگری از همین واکنشهای فیزیکی و شیمیایی است؛ ساختارهای آمورف حاصل، انعطافپذیرتر هستند و برای تولید نانوالیاف مطلوبترند.
در بررسی رفتار حرارتی، نمونههای تحت پلاسما الگوی افت وزن متفاوتی زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد نشان دادند. این تفاوت ناشی از تغییرات ظرفیت جذب آب بود؛ تغییراتی که از اصلاح گروههای سطحی و بازآرایی ساختاری پس از پلاسما سرچشمه میگیرد. به عبارت دیگر، پلاسما تنها یک تغییر سطحی ظاهری ایجاد نکرده، بلکه الگوی برهمکنشهای مولکولی در ساختار سلولز را نیز دگرگون ساخته است.
مشاهدات میکروسکوپی نیز نشان داد که شکافها، حفرهها و مسیرهای نفوذ بهوجود آمده در اثر پلاسما، مرحلههای بعدی استخراج را سادهتر میکنند. چنین ساختاری برای فرایندهایی مانند پراکندگی در آب، ترکیب با پلیمرهای طبیعی یا تولید فیلمهای نانوسلولزی اهمیت راهبردی دارد.
پژوهشگران تأکید میکنند که با وجود کاهش نسبی بازده، این روش یکی از مسیرهای مهم برای تولید نانوسلولز از پسماندهای کشاورزی محسوب میشود؛ بهویژه با توجه به آنکه پوسته گردو در بسیاری از مناطق ایران و جهان بهعنوان ضایعات غیرقابلاستفاده رها میشود. تبدیل این پسماند ارزان به مادهای با ارزش افزوده بالا، ازنظر اقتصادی، زیستمحیطی و صنعتی چشمانداز گستردهای ایجاد میکند.
تیم تحقیقاتی دانشگاه صنعتی اصفهان اعلام کرده است که پلاسما DBD با ایجاد واکنشهای فیزیکی و شیمیایی کنترلپذیر، قادر است پیوند میان اجزای مختلف ساختار لیگنوسلولزی را تضعیف کرده و مسیر رهایش و جداسازی الیاف را تسهیل کند. این مطالعه نشان داده است که حتی بدون وابستگی شدید به مواد شیمیایی خورنده، میتوان به نانوفیبرهای سلولزی با ویژگیهای مطلوب دست یافت. چنین الگویی میتواند پایه توسعه فناوریهای سبزتر، کممصرفتر و اقتصادیتر در حوزه مهندسی زیستی، بستهبندی پایدار، سوپرکاپاسیتورها و کامپوزیتهای سبک باشد.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان The potential of DBD plasma pretreatment for the isolation of micro- and nano-cellulose fibers from the walnut shells در نشریه Carbohydrate Polymers به چاپ رسیده است.
