الكيمياء الخضراء.. هل تنقذ ثورة النانو مستقبل الجنس البشري؟

تكنولوجيا النانو الخضراء هي أفق واعد لصناعة المواد النانومترية، وهي مواد ذكية متعددة الوظائف بحجم أقل من 100 نانوميتر.

وتساهم تكنولوجيا النانو التطبيقية في إنتاج المواد النانوية الجديدة (المواد متناهية الصغر ذات الطبيعة الخاصة كيميائيا)، ومن تلك المواد النانوية أكاسيد المعادن "الذكية" والأطر العضوية المعدنية، التي تخلق موارد مستدامة والمتجددة المناسبة لتغير المناخ واستنفاد مصادر الطاقة التقليدية.

وتعمل تكنولوجيا النانو لتحقيق مصطلح "الكيمياء الخضراء" في قطاعات متنوعة زراعية وبيئية وصناعية وعسكرية وفي مجال الطاقة أيضا.

وفي هذا المجال الأخير تحديدا (الطاقة) ثمة ثورة في مجال إنتاج المواد النانوية الخضراء المحضرة من مختلف النفايات القابلة للتحلل الحيوي وتطبيقها في الطاقة.

أثرت تقنية النانو بشكل كبير على الابتكارات الصديقة للبيئة في إطار بروتوكولات عملية لبناء منتجات تعتمد على تكنولوجيا النانو، أحد الوعود التي تقدمها تقنية النانو هو أنها ستتيح نموًا اقتصاديًا أكثر اخضرارًا واستدامة.

ومن المتوقع أن يتم إحداث هذه الوظيفة من خلال مجموعة متنوعة من المنتجات، سواء من خلال الخصائص المفيدة للمواد النانوية وعبر التطورات التي تدعم النانو.

وعلى أرض الواقع تم طرح عدد قليل نسبيًا من المنتجات في السوق حتى الآن، ولا تزال غالبية الحلول النانوية الخضراء الممكنة في المختبر أو في مرحلة مبكرة من التطوير.

ومع البحث عن بدائل خضراء للوقود الأحفوري، إنفاذا للتعهدات الدولية المتعلقة بتغير المناخ واتفاق باريس 2015 تأتي ثورة إنتاج المواد النانوية بالطرق الخضراء لاستخدامها في تطبيقات تكنولوجيا النانو الصديقة للبيئة، نحو مستقبل أخضر للجنس البشري يحمي كوكب الأرض من "الفناء" بسبب المناخ.

النانو تكنولوجي والطاقة

ظهر مصطلح "الكيمياء الخضراء" لأول مرة في أوائل التسعينيات وتم تعريفه على أنه إطار عمل جديد لإنشاء منتجات فريدة تعود بالفائدة على كل من صحة الإنسان والبيئة، مع إمكانات هائلة لإحداث ثورة في عمليات التركيب النانوي واسعة النطاق.

الكيمياء الخضراء والتي يشار إليها أيضًا باسم الكيمياء المستدامة يتم تطبيقها عبر دورة الحياة الكاملة للمنتجات الكيميائية، من الاستخدام إلى التصميم إلى الإنتاج إلى التخلص.

أمضى الباحثون السنوات العشر الماضية في إنشاء كيميائيات جديدة وأساسية من شأنها أن تحدث ثورة في مجال تكنولوجيا النانو وتفيد الجنس البشري.

ويقود هذا التحول التحقيق في الكيمياء الخضراء للتخفيف من المشكلات البيئية، واستبدال الأساليب التقليدية بتصميمات جديدة واستبدال الكيمياء غير المستدامة في نهاية المطاف.

وتحقق الاستراتيجيات التركيبية المختلفة لتطوير المعادن الانتقالية والمواد الكربونية والمحفزات الكهربائية في أنظمة التخزين والتحويل عبر النانوتكنولوجي باستخدام الكيانات البيولوجية النباتية ومواد النفايات كطريق صديق للبيئة أهداف عديدة منها:

•    تعزيز تقنيات توليد الطاقة من مصادر غير تقليدية وغير قابلة للاستنفاد مثل طاقة الشمس والرياح.

•    تقليص استهلاك الطاقة وزيادة كفاءة إنتاجها بحيث تكون صديقة للبيئة تساعد في حماية البيئة وتحسين الكشف عن التلوث ومعالجته.

•    زيادة فعالية الإنارة والتدفئة.

•    زيادة سعة التخزين الكهربائية (حققت تقدما كبيرا في إنتاج البطاريات صديقة البيئة).

•    إنقاص التلوث الناجم عن استخدام الطاقة.

ويعد استخدام النانو تكنولوجي لمنح المذيبات غير الضارة مثل الماء والمواد الأولية الرخيصة والمتجددة والقابلة لإعادة التدوير مثل البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) ضمان للاستدامة لإنتاج وتسويق الأطر العضوية المعدنية على نطاق واسع.

فلم يعد من الممكن دعم التوسع الاقتصادي التقليدي المنتظم، المبني على استنفاد الموارد وقذف الملوثات في البيئة، في محيط حيوي بموارد محدودة وقدرة بيئية.

الابتكار الأخضر

هناك حاجة حيوية ولا مفر منها لإيجاد طرق منخفضة التكلفة وودية لمعالجة المخاوف العالمية، حيث يتفق الناس في جميع أنحاء العالم على أن الطاقة ضرورية للنمو الاقتصادي.

وبسبب وفرة موارد مثل الفحم، تعتمد عليها العديد من الدول في القارات، رغم حتمية إنشاء إمدادات طاقة متجددة مستدامة بسبب الطلب العالمي المتزايد على الطاقة، وخطر الاحتباس الحراري واستنفاد الوقود الأحفوري غير المستدام.

فالحاجة ماسة إلى حلول مبتكرة للطاقة المتجددة لمعالجة مجموعة واسعة من القضايا البيئية وأزمة الطاقة الوشيكة.

ويركز الباحثون بشكل أكبر على تدابير التخفيف الجديدة في هذا الصدد أثناء تقييم التقنيات الصديقة للبيئة المناسبة، مثل خلايا الوقود، والابتكار الأخضر، والتكنولوجيا النانوية، والتكنولوجيا الحيوية، وتخزين الطاقة .

وقدمت فكرة "الكيمياء الخضراء" بدائل وطرقا لدعم المجالات الاجتماعية والاقتصادية والبيئية والنهوض بها، ومنع النفايات والمنتجات الثانوية، ومنع أو تقليل استخدام المنتجات الخطرة، وتصميم مواد كيميائية أكثر أمانًا، وتتطلب طاقة أقل، واستخدام منتجات قابلة للتحلل، وتقوية التقنيات التحليلية للتحكم في المركبات الخطرة.

وتبرز تقنية النانو كواحدة من التقنيات العديدة التي تحظى بالاهتمام لأنه من المتوقع أن تساعد في العديد من التحولات (الطاقة والبيئة) من الموارد التقليدية إلى الموارد المتجددة التي تحدث في جميع أنحاء العالم.

تطبيقات النانو تكنولوجي في مجال الطاقة شملت إنتاج مواد الجرافين المشبعة بالذرة غير المتجانسة في مختلف تقنيات تحويل الطاقة وتخزينها، بما في ذلك المكثفات الفائقة والبطاريات والخلايا الشمسية الصبغية وتقسيم الماء الكهربائي الذي ينتج الهيدروجين.

ومع أحدث المواد النانوية الخضراء المعدة للتخزين وتطبيقات توليد الطاقة تأتي المكثفات الفائقة وخلايا الوقود، والتي تحمل آفاق مستقبلية للنهوض بالمحفزات القابلة للتحلل الحيوي في أنظمة الطاقة، بديلا للطرق التقليدية الأكثر ضررا.

تخزين الطاقة وتحويلها

تستفيد الكيمياء الخضراء بشكل كبير من فكرة الاقتصاد الذري، حيث لا يزال التحفيز أحد أهم مجالات وأركان الكيمياء الخضراء لأنه يهدف إلى تقليل الفاقد من خلال تصميم التفاعلات بحيث تنتهي جميع الذرات المشاركة في مادة البداية في المنتجات المرغوبة.

يقدم هذا مقياسًا لقياس "خضرة" عملية أو تخليق من خلال تقديم حلول انتقائية وذات كفاءة في استخدام الطاقة للعديد من المجالات الصناعية المهمة.
ولأن الطاقة ضرورية لوجودنا اليومي لأنها تحسن نوعية حياتنا. إنه جزء أساسي من الاقتصاد الحديث في كل جانب. بهذا المعنى ، يجب تخزين الطاقة، وقد يكون لتقنية النانو تأثير كبير على البطاريات والمكثفات الكهروكيميائية الفائقة وأنظمة التخزين.

ولايزال أمام تقنية النانو الخضراء الكثير من العقبات التي يجب التغلب عليها حتى لو كان العديد من هذه "التقنيات النانوية الخضراء" تنتقل بالفعل من المختبر إلى الاستخدام التجاري.

وتقتصر أبحاث تقنية النانو الخضراء الآن في الغالب على التجارب المعملية صغيرة الحجم، لتقييم ما إذا كان من الممكن تطبيق التكنولوجيا الحالية على الإنتاج التجاري، والمبادرات مطلوبة حيث تواجه معظم التقنيات النانوية الخضراء أكبر العقبات نتيجة للسموم الضبابية للمواد النانوية.

إنجاز تاريخي

في دراسة كيميائية جديدة، يصف الباحثون كيف حققوا أعلى مستوى من تخزين الطاقة - المعروف أيضًا باسم السعة - في مكثف فائق تم تسجيله على الإطلاق.

وحسب دورية "sciencedaily" العلمية المتخصصة فإن الدراسة قادها لويس إشيغوين، الأستاذ في جامعة تكساس في إل باسو، والدكتورة مارتا بلونسكا-بريجنسكا، من جامعة بياليستوك الطبية في بولندا، ونشرت نتائجها مؤخرًا في مجلة "Scientific Reports"، التي نشرها ناشر الأبحاث الرائد Nature Portfolios.

والمكثفات الفائقة هي الأجهزة التي تخزن الطاقة الكهربائية بين لوحين معدنيين قريبين من بعضهما البعض ولكن يفصل بينهما سطح لا يمكنه توصيل الكهرباء.

وتشبه المكثفات الفائقة البطاريات، باستثناء أن البطاريات تخزن وتسترد الطاقة باستخدام التحولات الكيميائية ، بينما تخزن المكثفات الطاقة باستخدام أسطح مشحونة عكسيا.

وغالبًا ما تستخدم تلك المكثفات الفائقة في الآلات التي تتطلب تفريغًا سريعًا للطاقة ، مثل السيارات الكهربائية والحافلات والقطارات والرافعات.

قال إيشجوين، عضو هيئة التدريس منذ فترة طويلة في قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة UTEP: "هذه خطوة كبيرة للأمام وتقربنا من تحقيق مكثفات فائقة ذات كثافة طاقة عالية ، مما سيغير بشكل جذري طريقة تخزين وإدارة الطاقة".

وتتمتع المكثفات الفائقة بإمكانات عالية لأنها يمكن أن تشحن أسرع بكثير من البطاريات - في غضون ثوانٍ إلى أجزاء من الثانية.

ومع ذلك لا يمكن للمكثفات الفائقة الحالية تخزين سوى كمية قليلة من الطاقة، مما يحد من نطاق تطبيقاتها المحتملة.

وإذا كان من الممكن تصميم المكثفات الفائقة لتخزين المزيد من الطاقة، فستكون أخف وزنًا ماديًا وستشحن أسرع بكثير من البطاريات، مما سيكون له تأثير تجاري كبير، وفقًا للدراسة.

وحقق المكثف الفائق الجديد الذي صممه "Echegoyen" و "Plonska-Brzezinska" مستوى قياسيًا من التخزين، أو السعة، باستخدام مادة ذات بنية أساسية من الكربون "nano-onion" ، والتي تخلق مسامًا متعددة تسمح بتخزين قدر أكبر من الطاقة.

aXA6IDMuMTQ4LjEwOC4yMDEg

جزيرة ام اند امز