البوليمرات واللدائن والمنسوجات
على مدار الخمسين عامًا الأخيرة، حلَّت المواد الاصطناعية المخلَّقة على نطاق واسع محل المواد الطبيعية مثل الخشب والجلد والصوف والقطن. وربما كانت اللدائن والبوليمرات خير مثال على الدور الذي أدَّته ولا تزال تؤديه الكيمياء العضوية في تغيير المجتمع. اختُرع السيلولويد عام ١٨٥٦، وأصبح من أوائل الأمثلة على البوليمرات واستُخدِم في صناعة كرات البلياردو ومفاتيح البيانو وشرائط الأفلام القديمة. وفي عام ١٨٩١، اكتُشِف أول نسيج اصطناعي مخلَّق (الرايون) بمحض المصادفة عندما انسكبَ النيتروسيليلوز من لوي شاردونيه ولاحظ أنه يتكوَّن من خيوط شبيهة بالحرير. في عام ١٩١٧، بدأ تصنيع المطاط الاصطناعي في ألمانيا كردة فعلٍ على الحصار البحري الذي فرضته عليها بريطانيا. ولكن حدثت الطفرة الحقيقية في علم البوليمرات في النصف الثاني من القرن العشرين. قُدِّر إنتاج اللدائن على مستوى العالم بنحو ٢٨٨ مليون طن في عام ٢٠١٢، وقد يصل استهلاك البلاستيك إلى مليار طن بنهاية القرن. أكثر اللدائن انتشارًا هي البولي (ألكينات) مثل البولي كلوريد الفاينيل، والبوليسترين، والبوليسترين الموسع، والبولي إيثيلين تريفثاليت.
توجد طريقتان لتحضير البوليمرات:
-
بوليمرات الإضافة (أو بوليمرات النمو المتسلسل)
-
بوليمرات التكثيف (أو بوليمرات النمو التدريجي)
بوليمرات الإضافة
على عكس البوليثين، يحتوي البولي بروبيلين على مجموعاتٍ بديلة على طول سلسلة البوليمر. تؤدي الكيمياء الفراغية النسبية لهذه المجموعات البديلة دورًا مهمًّا في تحديد خصائص البوليمر. إذا كانت مجموعات الميثيل تُشير في اتجاهاتٍ متقابلة، فسيُكَوِّن البوليمر بنيةً حلزونية مُتسقة، مما ينتج عنه ألياف شديدة المتانة. أما إذا كانت مجموعات الميثيل تُشير في اتجاهاتٍ عشوائية، فسيكون البوليمر لينًا مثل المطاط ولن تكون له فائدة تجارية كبيرة. ومع ذلك، البوليثين هو البوليمر الذي أطلق شرارة التوسُّع السريع في صناعة البوليمرات.
من الناحية النظرية، يُفترض أن تنتج عن عملية البلمرة سلاسلُ بوليمرات طويلة للغاية من دون تفرعات. ولكن لا يكون الحال هكذا دائمًا. ففي بعض الأحيان، يرتبط مونومر ارتباطًا جزئيًّا على طول سلسلة البوليمرات مُكوِّنًا تفرُّعًا. وهذا التفرع يمكن أن يتسبَّب في تغييراتٍ كبيرة في خصائص البوليمر. وعمومًا، فإن السلاسل الخطية الخالية من التفرُّعات يمكنها أن تتكدَّس معًا على نحو أوثق من السلاسل المحتوية على تفرعات، وهو ما ينتج عنه بلاستيك صلب. على سبيل المثال، متعدد الإيثيلين الخالي من التفرُّعات عبارة عن بلاستيك صلب يمكن استخدامه في مفاصل الورك الصناعية. وعلى النقيض، فإن مُتعدد الإيثيلين الذي يتضمن الكثير من التفرعات عبارة عن بلاستيك مرن يُستخدَم في صناعة أكياس القمامة وأكياس الطعام.
تشمل أمثلة البوليمرات المشتركة الساران الذي يُستخدَم كشريط بلاستيكي لتغليف الطعام، وراتينج أكريلونيتريل ستايرين الذي يُستخدَم في تصنيع الأواني التي يمكن غسلها في غسالة الأطباق، وأكريلونتريل بوتادين الستايرين الذي يُستخدَم في صناعة خوذات الأمان، ومطاط بوتيل الذي يُستخدَم في صناعة أنابيب الإطارات الداخلية والأدوات الرياضية القابلة للنفخ. كما يجري الآن فحص البوليمرات المُشتركة ودراستها لتحديد إذا ما كانت صالحة للاستخدام مع الحاويات النانوية التي يمكن استخدامها في توصيل الأدوية.
بوليمرات التكثيف
أسمنت الإيبوكسي والغراء الفائق
المشكلات المتعلقة بالنواحي الصحية
خلال الأعوام الأخيرة، أُثيرت مخاوف حول مدى أمان وسلامة العديد من البوليمرات، أو المونومرات التي تُصنَّع منها هذه البوليمرات. على سبيل المثال، تخضع البوليمرات المتعددة الفلور الطويلة السلسلة مثل التفلون لإجراءاتٍ معينة من التدقيق. هذه البوليمرات شديدة الاستقرار وطاردة للسوائل، مما يجعلها مفيدةً في صناعة الأواني غير اللاصقة ومعاطف المطر ومُطهرات الأسطح في مجال تعبئة الأغذية. كما أنها تُوضَع على الزلاجات لتزيد من قدرتها على الانزلاق. ولكنها تُعَد حاليًّا خطِرة على الصحة وضارة بالبيئة بسبب استدامتها وتراكُمها الحيوي. يرى القائمون على صناعة البوليمرات أن استخدام سلاسل أقصر من البوليمرات من شأنه أن يحلَّ الكثير من هذه المخاوف، إلا أن مُنتقدي هذه الصناعة يُعارضونهم الرأي.
أُثيرت أيضًا مخاوف صحية بشأن البولي كربونات وراتينجات الإيبوكسي بسبب مونومر «بيسفينول أ» المُستخدَم في إعداده. تُستخدَم البولي كربونات في صناعة الزجاجات البلاستيكية، بينما تُستخدَم راتينجات الإيبوكسي في طلاء الأسطح الداخلية لعُلَب الطعام وعلب المشروبات وأغطية الزجاجات وأنابيب المياه. يعمل هذا الطلاء على حماية المعادن من الأطعمة المُسبِّبة للتآكل مثل الطماطم، كما تحمي الأطعمة والمشروبات من اكتساب مذاقٍ معدني. ولكن اكتُشِفَت آثار لوجود «بيسفينول أ» غير متفاعل في هذه اللدائن وتشعر مجموعات المُستهلكين بالقلق من احتمالية تسربه إلى داخل الأطعمة. حتى وقتنا هذا، لا يوجَد دليل على أن «بيسفينول أ» سام للبشر، ولكن من المعروف أنه يُحاكي هرمون الإستروجين في الدراسات التي أُجريت على الحيوانات.
حظرت العديد من الدول استخدام البوليمرات المشتقة من «بيسفينول أ» في صناعة زجاجات رضاعة الأطفال؛ ذلك لأن وضع ماء مَغلي داخلها يمكن أن يُحفِّز هذا المونومر على التسرُّب إليه. كما قررت الحكومة الفرنسية تجريم استخدامه في مجالات تعبئة الأطعمة والأجهزة الطبية وتغليفها. كما شملت بعض أشكال الحظر استخدامه في تغليف الألعاب. ولكن شكَّكت دول أخرى في صحة اختبارات السُّمية التي خضع إليها «بيسفينول أ». على سبيل المثال، زعموا استخدام تركيزاتٍ عالية من «بيسفينول أ» في العديد من اختبارات السُّمية.
المشكلات المتعلقة بالبيئة والتوازن الحيوي والاقتصاد
كان للدائن تأثيراتٌ بيئية مفيدة تمثلت في تقليل استخدام المواد الطبيعية في تصنيع السلع الاستهلاكية. في القرن التاسع عشر، حلَّ السيلولويد محل العاج، الأمر الذي قلَّل من ذبح قطعان الأفيال. واليوم، تُستخدَم الألياف الصناعية في صناعة الملابس بدلًا من القطن، ومن ثَمَّ فإن الحقول التي كانت تُستخدَم قديمًا في زراعة القطن أصبحت تُستخدَم الآن في زراعة المحاصيل الغذائية.
من بين الفوائد الأخرى للبوليمرات أنها قوية ومتينة، مما يسمح باستخدامها في تصنيع منتجاتٍ متينة غير قابلة للكسر. ولكن قد يكون لذلك تأثيرات ضارة بالبيئة في حال ما لم يُتخلص منها بعناية. تقف سواحل العالَم شاهدًا مأساويًّا على ذلك، وقد أشارت التقديرات في تقرير صدر عام ٢٠١٥ إلى أن ما يقرب من ثمانية ملايين طنٍّ من مخلفات اللدائن ينتهي بها المطاف كلَّ عام في المحيطات. وعلى اليابسة، أصبح الضغط على مواقع مكبات القمامة كبيرًا للغاية حتى أصبحت إعادة تدوير البلاستيك ضرورة لا غِنى عنها. توجَد مقترحات حاليًّا من الاتحاد الأوروبي تهدف إلى الحظر التدريجي لعملية التخلُّص من المُخلفات القابلة لإعادة التدوير في مكبَّات القمامة بحلول عام ٢٠٢٠، وحظر حرق المخلفات، وجمع البلاستيك الخطر من الأسواق. كما تُطالَب الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي بالحدِّ من استخدام الأكياس المصنوعة من البلاستيك الشفاف. ووفقًا للتقديرات، فإنَّ ما يقرب من ثمانية مليارات من هذه الأكياس قد انتهى بها المطاف عام ٢٠١٠ في التخلُّص منها كمخلَّفات.
إعادة التدوير/إزالة البلمرة
يُعَدُّ النفط المصدر الرئيسي للمواد الخام المُستخدَمة في تصنيع اللدائن. ونظرًا إلى كونه موردًا محدودًا وغير مُتجدِّد، من المنطقي إعادة تدوير كل اللدائن أو إزالة بلمرتها لاستخراج المواد الخام المفيدة وإعادة استخدامها دون الحاجة إلى استخدام المزيد من هذا المورد. جميع اللدائن تقريبًا يمكن إعادة تدويرها، ولكن ليس بالضرورة أن يكون ذلك قابلًا للتنفيذ من الناحية الاقتصادية. تميل عمليات إعادة التدوير القديمة للبوليسترات والبولي كربونات والبوليسترين إلى إنتاج لدائن رديئة لا تصلُح إلا لمنتجاتٍ منخفضة الجودة.
يمكن إزالة البلمرة باستخدام مادةٍ حفَّازة مثل الروثينيوم أو الروديوم أو البلاتين، ثم تُنقَّى المونومرات الناتجة ويُعاد استخدامها في الكثير من التطبيقات. ولكن لا تزال عملية إزالة البلمرة غير مُجدية من الناحية الاقتصادية.
اللدائن القابلة للتحلُّل الحيوي
اللدائن القابلة للتحلُّل الحيوي بالأكسجين عبارة عن لدائن تقليدية تحتوي عند إنتاجها على تركيزاتٍ قليلة من الأملاح المعدنية. يُساعد ذلك على تحفيز التحلُّل الحيوي للدائن عندما تتعرض إلى الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوُّن اللدائن الدقيقة التي يتراوَح حجمها ما بين نانومتر واحد وخمسة نانومترات. كان الأمل معقودًا على أن تتحلَّل هذه اللدائن الدقيقة بواسطة الكائنات الدقيقة، ولكن لم يُثبَت حدوث ذلك حتى الآن. علاوة على ذلك، لم تُدرَس مخاطر اللدائن الدقيقة على صحة الإنسان والبيئة دراسةً وافية حتى الآن. وثمة مخاوف فيما يتعلق بتأثير اللدائن الدقيقة على سلسلة الغذاء إذا ما تغذَّت عليها الأحياء البحرية، ويدرس الاتحاد الأوروبي حاليًّا فرض قواعد تنظيمية بشأن استخدام اللدائن الدقيقة في مُستحضرات التجميل والمنظفات وغيرها من المنتجات.
اللدائن الحيوية
تُنتَج اللدائن الحيوية من مونومرات مأخوذة من مواد نباتية المصدر بدلًا من النفط. في عام ٢٠٠٩، طوَّرت شركة «كوكاكولا» زجاجات من لدائن البولي إيثيلين تريفثاليت قابلة لإعادة التدوير ومصنوعة جزئيًّا من مادة نباتية المصدر. تضمَّن ذلك استخدام أحادي الإيثيلين جليكول المُشتق من قصب السكر، ولكن هناك مُخططات أيضًا لاستخدام قشور الفواكه ولحاء الأشجار وسيقان النباتات كمصادر للمواد الكيميائية. كذلك، صنعت شركة «بيبسي» زجاجات من لدائن البولي إيثيلين تريفثاليت باستخدام مصادر نباتية، مثل عُشب الدخن العصوي ولحاء أشجار الصنوبر وقشور الذرة. يُفضَّل استخدام المواد النباتية التي يمكن عادةً التخلُّص منها أو حرقها على المحاصيل الغذائية؛ فالخيار الأخضر من شأنه أن يتسبب في انخفاض معدلات إنتاج الغذاء وزيادة أسعاره. في عام ٢٠٠٧، اندلعت أعمال شغب في المكسيك بسبب ارتفاع أسعار الغذاء الناتج عن استخدام الذرة في إنتاج الإيثانول لاستخدامه كوقودٍ حيوي. أصبح من الممكن حاليًّا الحصول على العديد من المونومرات من مصادر حيوية. يُعَدُّ فوران-٢،٥-ثنائي حمض الكربوكسيل مثالًا على ذلك، وعند بلمرته أدى إلى إنتاج بولي (فوران-٢،٥-ثنائي حمض الكربوكسيل)، وهو نسخة البولي إيثيلين تريفثاليت المحتوية على الفوران.
أحدث الأبحاث في مجال اللدائن والبوليمرات
لا يزال تطوير بوليمراتٍ جديدة مُستمرًّا بهدف استخدامها في تطبيقاتٍ جديدة. على سبيل المثال، يجري الآن تطوير بوليمرات ذاتية الإصلاح يُمكنها أن تصلح أيَّ ضررٍ مادي تتعرَّض له المادة التي تحتويها. وتتمثل إحدى طرق الاستخدام المُتبعة لهذا النوع من البوليمرات في دمج كبسولاتٍ صغيرة، يحتوي بعضها على مونومر، ويحتوي البعض الآخر على بادئ بلمرة. عند حدوث تلفٍ أو ضررٍ ما، تنكسر الكبسولات في موضع الضرر مُطلِقةً محتوياتها. وعندئذٍ يمتزج المونومر وبادئ البلمرة معًا، فيحدث تفاعل البلمرة ويُعالج الضرَر. ثمة طريقة أخرى وهي تصميم بوليمرات تتبلمر في ظروفٍ مُعينة. في هذه الحالة، عندما تتعرَّض المنطقة المتضررة للضوء أو الحرارة، تبدأ عملية إزالة البلمرة. فتصبح المونومرات الناتجة عن هذه العملية أكثر سيولةً من البوليمر، ومن ثَمَّ تملأ أي فجواتٍ أو تمزقاتٍ موجودة. وعندما يزول مصدر الضوء أو الحرارة، تُعاد بلمرة المونومر لإصلاح الضرر.
للبوليمرات القابلة للتحلُّل الحيوي استخداماتٌ في المجال الطبي، من بينها الخيوط الجراحية القابلة للانحلال مع الوقت، والشرائح، والمسامير، والدبابيس، والشبكات. كما تجرى دراساتٌ حول البوليمرات القابلة للتحلُّل الحيوي للتأكد من إمكانية أن تحلَّ محل الأجهزة المزروعة المصنوعة من التيتانيوم التي تُستخدَم حاليًّا في إصلاح كسور العظام الحاملة لوزن الجسم.
يجري أيضًا تطوير طلاء الأسطح المصنوع من الجِل المائي (الهيدروجل) المُستجيب للحرارة بحيث يستطيع امتصاص مياه الأمطار ثم «ينضحها» للمساعدة في تبريد المباني، الأمر الذي من شأنه أن يُقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وكذلك من استخدام مُكيفات الهواء. البوليمر الخاضع للدراسة هنا هو البولي (ن-أيزو بروبيل أكريلاميد) (أو اختصارًا البوليمر بنيبام) الذي يمكنه تخزين الماء بنسبة ٩٠٪ من وزنه.
وأخيرًا، يجري الآن تطوير بوليمراتٍ جديدة من شأنها أن تحول دون الْتصاق العلكة بالملابس أو الأرصفة أو الأرضيات. يمتصُّ البوليمر الماء، مما يُسرِّع من وتيرة التحلل، ولكنه في الوقت نفسه يمنح العلكة نكهة تدوم لمدة أطول. كما يمكن استخدام البوليمر في صناعة أحمر الشفاه ومرطِّب الشفاه، وهو من أساليب التعامُل مع رائحة النفَس الكريهة.
