البوليمر ح 2 اكتشافه
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.
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.
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.
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.
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.
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.
* د. فهيد محمد السبيعي، أستاذ بحث مشارك، المشرف على الإدارة العامة لمختبرات البحث والتطوير ، مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية