توفر معدات الوقاية الشخصية المستخدمة حاليا حماية فعّالة للأنف والرئتين من الجزيئات الدقيقة، ولكنها قد تسمح بمرور البكتيريا. في الوقت ذاته، يُغني ابتكار علماء بيرم عن القلق بشأن العمل في الهواء الملوث، حيث لا تقتصر وظيفة المادة الجديدة المتعددة الطبقات على احتجاز الكائنات الدقيقة فحسب، بل تعمل أيضاً على التخلص منها.
علاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا التطوير في الأقنعة وأجهزة التنفس، وكذلك في مرشحات تنقية الهواء، حسب ما ورد في "بوابة روسيا العلمية"، ونورد أهم ما جاء حول الموضوع.
أوضحت إيلينا أبراموفنا فاربيروفا، الأستاذة المشاركة في قسم الكيمياء والتكنولوجيا الحيوية بجامعة بيرم أن "المادة المركبة المبيدة للجراثيم عبارة عن نسيج من الكربون النشط مُعدل بجزيئات دقيقة من النحاس المعدني، ويُشار إليها اختصارا بـ "AOT-CU"، وتتكامل مكونات المادة المركبة فيما بينها بشكل عضوي".
وبينت أن نسيج الكربون المنشط الأصلي يتميز ببنية مسامية عالية، وهو نسيج مائل مصنوع من ألياف الكربون، وتتعامد المسام الدقيقة مع محور الألياف، ويمكن الوصول إليها مباشرة من السطح الخارجي، ما يوفر نشاطا حركيا أكبر تجاه المواد الممتصة.
كما تتميز مواد ألياف الكربون بمقاومتها للبيئات القاسية والإشعاع والصدمات الحرارية، وتتمتع بموصلية كهربائية قابلة للتعديل، ولها ميل كبير للمعادن الثقيلة، وبفضل هذه الخصائص، يُعد نسيج الكربون المنشط مادة أساسية متعددة الاستخدامات للتعديل بجزيئات معدنية دقيقة التشتت، وخاصة النحاس، ومن الخصائص الأخرى المفيدة لنسيج الكربون مقاومته المنخفضة لتدفق الهواء.
لذا، أوضحت الباحثة أنه يمكن استخدام ألياف الكربون، حتى من دون مكونات أخرى، في المرشحات لتنقية الهواء والغازات من الملوثات. مع ذلك، فهي غير قادرة على كبح النشاط البكتيري بمفردها، مشيرة إلى أن المكون الثاني، جزيئات النحاس، هو ما يمنح مادة المرشح الجديدة خصائصها المبيدة للبكتيريا، حيث إن أيونات هذا المعدن قادرة على التخلص من معظم الكائنات الدقيقة الخطيرة.
وأضافت: "يُعزى تعطيل الكائنات الدقيقة المعرضة للنحاس إلى آلية الالتصاق بالبكتيريا، ويحدث ذلك نتيجة لاختلاف الشحنات الكهربائية بين البكتيريا وأيونات النحاس المنبعثة من الجسيمات النانوية. ونتيجة لذلك، تلتصق الجسيمات النانوية بالغشاء السيتوبلازمي للبكتيريا وتُدمر بنيته، ما يؤدي إلى تعطيل العمليات الأيضية في الخلية وتحللها لاحقا".
وشرحت فاربيروفا، لماذا تم اختيار النحاس لتعديل المادة الجديدة، قائلة: "من بين جميع الكاتيونات المعدنية، يتمتع النحاس والفضة بأقوى التأثيرات المثبطة والمبيدة للبكتيريا، ونظرا لارتفاع تكلفة استخدام الفضة، تم اختيار النحاس".
وتابعت في توضيحها لسبب استخدام النحاس: "كما أن هناك عددا من المعادن الثقيلة الأخرى التي تتمتع بخصائص مبيدة للبكتيريا، ولكن استخدامها مستبعد بسبب الأضرار المحتملة على صحة الإنسان. وفي الوقت نفسه، يشارك النحاس في عدد من العمليات الأيضية. علاوة على ذلك، يُستخدم النحاس المعدني في الطب".
ولاختبار هذا التطوير، أجرى العلماء عدة تجارب. في البداية، وُضعت شظايا صغيرة من المادة في المختبر على وسط غذائي كثيف يحتوي على بكتيريا، وسُجلت مواقع نفوق الكائنات الدقيقة.
بعد ذلك، اختبر العلماء كيفية تعامل النسيج المُعدل مع تدفق غاز متحرك: حيث مُرر هواء ملوث عبر المادة، وقُيس عدد البكتيريا المتبقية في التدفق بعد الترشيح. كانت النتائج مبهرة: فقد وفّر النسيج المُزوّد بجزيئات نانوية حماية ضد الكائنات الدقيقة الخطيرة بكفاءة تزيد عن 95%.
وأوضحت فاربيروفا أن من أهم خصائص المادة التي سمحت بتحقيق هذه النتيجة المرتفعة، هي طبيعتها متعددة الطبقات، وقالت "إن استخدام مرشح يعتمد على طبقة واحدة من مادة AUT-Cu غير فعال، إذ يمكن للكائنات الدقيقة أن تتسرب. حيث لا تملك جزيئات النحاس الوقت الكافي لإحداث تأثير مبيد للجراثيم، لأن تيار الهواء يدفع الكائنات الدقيقة عبر مسام المرشح".
وتابعت : "لذلك، من الضروري استخدام طبقات متعددة، والخيار الأمثل هو مرشح ثلاثي الطبقات يتكون من طبقتين من مادة "AUT" الأصلية مع طبقة من مادة "AUT-Cu" بينهما. في هذه الحالة، يكون تأثير التسرب ضئيلا، ويضمن المرشح استخلاص أكثر من 95% من الخلايا البكتيرية من الهواء".
وأضافت الباحثة أن إحدى أهم مزايا نسيج الكربون المُعدَّل هي إمكانية إعادة استخدامه، إذ يُمكن تعقيمه بالمعالجة الحرارية، وشرحت أن عملية تصنيع مادة الكربون الجديدة المُبيدة للبكتيريا تتضمن المراحل التالية:
يُرسب النحاس كيميائيا كهربائيا على نسيج الكربون النشط من محلول إلكتروليتي مُركَب باستخدام التيار المُستمر.
تُثبت عينة من نسيج الكربون النشط في إطار نحاسي وتُغمر في المحلول الإلكتروليتي (أثناء التحليل الكهربائي، يعمل الهيكل الناتج ككاثود).
يوضع الكاثود بين لوحين نحاسيين (أنودين) بحيث عند مرور التيار الكهربائي عبر النظام.
يترسب النحاس بالتساوي على جانبي النسيج.
بعد المعالجة الإلكتروليتية، تُشطف العينات بالماء المقطر لإزالة الإلكتروليت المُتبقي.
تُجفف العينات في درجة حرارة الغرفة وتُعقَم.
يذكر أن بحث علماء جامعة بيرم أُجري في إطار برنامج القيادة الأكاديمية الاستراتيجية "أولوية 2030"، وقدم الفريق تفاصيل التطوير في مقال نُشر في مجلة "الكيمياء. البيئة. الدراسات الحضرية"، ويخطط الباحثون في المستقبل القريب لتحسين المادة الجديدة وتقنية تصنيعها.
وختمت بافاروفا: "تتمثل الخطة في تطوير طريقة للطلاء الكهروكيميائي للنحاس على نسيج الكربون النشط لتحقيق أقصى قدر من الفعالية المضادة للبكتيريا، ونخطط أيضا لتطوير طرق لتجديد وإعادة تدوير الإلكتروليت المستخدم".