التقنية النانوية للريش تفتح طلاءً غير لاصق خالٍ من PFAS

أهمية التيفلون ومشكلاته

Since its invention in the late 1930s, Teflon, also known as polytetrafluoroethylene or PTFE, has become famous for its ability to repel water, oil, and grease alike.

منذ اختراعه في أواخر الثلاثينيات، أصبح التيفلون، المعروف أيضًا باسم بولي تترافلووروإيثيلين أو PTFE، مشهورًا بقدرته على صد الماء والزيت والشحم على حد سواء.

ليس فقط يُستخدم في الأواني غير اللاصقة، وهو تطبيقه الأكثر شهرة، بل إنه مهم أيضًا في بطانة الأنابيب والخزانات، لتقليل الاحتكاك في الآلات، وفي الأجهزة الطبية (القساطر، الجراحة)، وفي صناعة الفضاء.

ومع ذلك، فإن عائلة المواد الكيميائية التي ينتمي إليها التيفلون، وهي المواد الفلورية المتعددة والبيرفلورية (PFAS)، تثير جدلاً متزايدًا.

ذلك لأنّها تُعدّ جزءًا من ما يُسمّى “المواد الكيميائية الأبدية”. هذه المواد، بما فيها PFAS، تقاوم العمليات الطبيعية التي تكسر الجزيئات العضوية الأخرى مع مرور الوقت.

وبالتالي، يُعرف عن PFAS أنها تتراكم في الأنسجة البيولوجية، ويمكن أن تتضاعف تركيزاتها مع صعودها في السلسلة الغذائية.

المصدر: King County

لذلك، هناك حاجة إلى بديل لاستخدام PFAS، أو على الأقل تقليلها واستخدام أنواع أقل ضررًا. وهذا ما اكتشفه الباحثون في جامعة تورنتو.

They published their discovery in Nature Communications¹, under the title “Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency”.

تسمم البيئة بـ PFAS

فئة كيميائية فريدة

PFAS are a class of thousands of synthetic chemicals that contain carbon-fluorine bonds. This is a very large group of chemicals, with more than 15,000 formulations created over the past decades.

المصدر: Ansys

PTFE/تيفلون، وهو مادة كيميائية من PFAS، مقاوم للتآكل والحرارة العالية، وله احتكاك سطحي منخفض جدًا. هذه الخاصية الأخيرة (يُعد PTFE أحد أقل معاملات الاحتكاك بين جميع المواد الصلبة) هي التي تدفع معظم استخداماته، بينما يُستخدم مقاومته للتآكل والحرارة كطبقة في تطبيقات صناعة الفضاء والكيمياء.

إن خمول روابط الكربون-فلور هو المسؤول عن خصائص PFAS غير اللاصقة. ولكن هذا الخمول هو نفسه ما يجعلها مستمرة للغاية كملوثة.

نظرًا لبقاء PFAS في البيئة، فإنها تتسرب إلى المياه العذبة من الاستخدامات الصناعية ومكبات النفايات، وتُنتهي بتلويث الأنهار والمحيطات والتربة الزراعية. لا يزال مدة بقاء PFAS في البيئة غير معروفة حتى اليوم، لكنها من المحتمل أن تكون على الأقل قرونًا.

المصدر: AE2S

قضية صحة عامة

PFAS can bioaccumulate, which means the piling up of more absorbed chemicals than the body can excrete. This phenomenon can pile up over the food chain, with typically predatory animals like sea fish displaying high concentrations of these types of chemicals.

يمكن أن تتراكم PFAS حيويًا، مما يعني تراكم كميات أكبر من المواد الكيميائية الممتصة مقارنة بما يمكن للجسم طرده. يمكن أن يتراكم هذا الظاهرة عبر السلسلة الغذائية، حيث تُظهر الحيوانات المفترسة مثل الأسماك البحرية تركيزات عالية من هذه الأنواع من المواد.

تُوجد PFAS اليوم في دم 97% من الأمريكيين. نظريًا، تم خفض مستويات PFOS وPFOA في الدم منذ إزالة هذه المواد من المنتجات الاستهلاكية في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، تم إنشاء مواد PFAS جديدة، ويصعب تقييم التعرض لها.

تُعد PFAS سامة عند تركيزات عالية، ومن بين الآثار المعروفة:

• تلف الكبد.
• التعرض لـ PFAS يقلل من كثافة العظام لدى المراهقين.
• تأخير بدء البلوغ لدى الفتيات، مما قد يؤدي إلى ارتفاع معدل الإصابة بسرطان الثدي وأمراض الكلى والدرقية.
• قد يسبب تشوهات خلقية.

قد توفر الأنظمة الغذائية الغنية بالألياف وحمض الفوليك بعض الحماية ضد هذه المواد، لكنها من غير المرجح أن تحمي تمامًا.

لماذا يصعب استبدال PFAS

Despite the risks, the lack of alternatives means that PFAS remain ubiquitous in consumer products: they are still widely used not only in cookware, but also in rain-resistant fabrics, food packaging, and even in makeup.

“التحدي هو أنه من السهل إنشاء مادة تُصد الماء، لكن من الصعب صنع مادة تُصد الزيت والشحم بنفس الدرجة. وصل العلماء إلى حد أقصى لأداء هذه المواد البديلة.”

الأستاذ كين جولوفين – يرأس مختبر المواد المتقدمة المقاومة للانزلاق (DREAM) في جامعة تورنتو

If PFAS are impossible to fully remove from our industrial society, at least they could be made less harmful. In that context, the longest PFAS, which have been banned (more than 8 carbon atoms), and the somewhat short ones (4-6 carbon atoms) are to be avoided.

“ما رأيناه في الأدبيات وحتى في اللوائح هو أن PFAS ذات السلاسل الأطول هي التي تُحظر أولاً، بينما تُعتبر السلاسل الأقصر أقل ضررًا بكثير.

توفر موادنا الهجينة نفس الأداء الذي تم تحقيقه باستخدام PFAS ذات السلاسل الطويلة، ولكن مع مخاطر مخفضة بشكل كبير.”

الأستاذ كين جولوفين – يرأس مختبر المواد المتقدمة المقاومة للانزلاق (DREAM) في جامعة تورنتو

As regulations tighten around PFAS pollution, alternatives are urgently needed for the chemical industry.

البوليديميثيل سيليكسين (PDMS)

The researchers at the University of Toronto are working with PDMS, a material generally commercialized under the category of “silicone”.

يعمل الباحثون في جامعة تورنتو مع PDMS، وهو مادة تُسوق عادة تحت فئة “السيليكون”.

لتحقيق نفس أداء مقاومة الالتصاق كما في التيفلون، استخدم الباحثون PFAS ذات ذرة كربون واحدة في السلسلة الجانبية (كربون واحد مع ثلاث ذرات فلور). ليست هذه المواد أقل سمية فحسب، بل عندما تتحلل في النهاية تُنتج حمض ثلاثي فلورو أسيتيك (TFA)، والذي، رغم أنه أقل احتمالًا للتراكم الحيوي في أنسجة الإنسان، لا يزال ثابتًا بيئيًا ويمكن أن يشكل خطرًا على الحياة المائية عند تركيزات عالية.

استخدموا فرشاة PDMS، التي تحتوي على العديد من الأشواك غير المنتظمة من السيليكون. ثم استخدموا تقنية تُسمى الريش (fletching)، حيث أضافوا PFAS إلى هياكل السيليكون على المستوى النانوي.

المصدر: Nature Communications

“إذا تمكنت من تصغير الحجم إلى مقياس النانومتر، فستشبه إلى حد ما الريش الذي تراه حول الجزء الخلفي من السهم، حيث يتصل بالقوس. يُطلق على ذلك اسم الريش (fletching)، لذا فهذا هو الريش النانوي.

تمكنا من ربط حوالي سبع جزيئات PFAS الأقصر الممكنة بنهاية كل شعرة من PDMS.”

الأستاذ كين جولوفين – يرأس مختبر المواد المتقدمة المقاومة للانزلاق (DREAM) في جامعة تورنتو

اختبار خصائص مقاومة الالتصاق

To test the properties of the new silicon-PFAS fletched material, the scientists designed an oil spray test where the surfaces were subjected to a continuous spray of oil/hydrocarbons (decane, octane, or heptane).

المصدر: Nature Communications

على مقياس طورته الجمعية الأمريكية لعلماء الكيمياء النسيجية وأخصائيي الألوان، حصل الطلاء الجديد على درجة 6، مما يجعله على قدم المساواة مع العديد من الطلاءات القياسية القائمة على PFAS.

المصدر: Nature Communications

اختبار التطبيقات

The new material needs to be applied to other surfaces to become useful, like pipes, surgical material, or the bottom of cooking pans. So this was tested as well.

يجب تطبيق المادة الجديدة على أسطح أخرى لتصبح مفيدة، مثل الأنابيب، والمواد الجراحية، أو قاع أواني الطهي. لذا تم اختبار ذلك أيضًا.

طبق الباحثون المادة المخترعة حديثًا على النايلون، والألمنيوم، والبوليستر، وأثبتوا أنها تستطيع طرد القطرات ذات توترات سطحية ولزوجيات مختلفة بفعالية.

المصدر: Nature Communications

الخلاصة

The leader of the scientific team says the team is open to collaborating with manufacturers of non-stick coatings who might wish to scale up and commercialize the process.

يقول قائد الفريق العلمي إن الفريق مستعد للتعاون مع مصنعين لطلاءات غير لاصقة قد يرغبون في توسيع العملية وتسويقها.

سوف يواصلون أيضًا العمل على تحسين مفهومهم بشكل أكبر.

“الهدف المثالي في هذا المجال هو مادة تتفوق على التيفلون دون أي PFAS على الإطلاق. لم نصل إلى ذلك بعد، لكن هذه خطوة مهمة في الاتجاه الصحيح.”

الأستاذ كين جولوفين – يرأس مختبر المواد المتقدمة المقاومة للانزلاق (DREAM) في جامعة تورنتو

الاستثمار في منتجي المواد الكيميائية

Chemours

Chemours هي شركة ناشئة من عملاق صناعة الكيميائيات DuPont، ومقرها الولايات المتحدة. هي متخصصة في إنتاج أكسيد التيتانيوم، وكذلك منتج التيفلون. كما تنتج غازات التبريد.

وبال far، يُعد التيتانيوم الجزء الرئيسي في الأعمال، حيث يشكل أكثر من نصف إيرادات الشركة.

المصدر: Chemours

تبيع Chemours في الغالب إلى أمريكا الشمالية (45٪)، تليها آسيا والمحيط الهادئ (24٪) وإقليم أوروبا والشرق الأوسط وأفريقيا (20٪).

يتضمن قسم المبردات الفريون القديم، وOpteon الجديد الذي ينتج انبعاثات أقل بكثير من الغازات الدفيئة.

يتضمن قطاع المواد المتقدمة التيفلون المقاوم للالتصاق، والمواد المرنة Viton، ومزلقات الأداء العالي Krytox، والغشاء Nafion.

المصدر: Chemours

يمكن استخدام Nafion لتنقية المياه وإزالة الملوحة، وكذلك لإنتاج الهيدروجين واستخدامه في خلايا الوقود.

تتجاوز تطبيقات التيفلون الأواني غير اللاصقة لتشمل دعم إنتاج شفرات توربينات الرياح، وكعامل ربط في بطاريات السيارات الكهربائية، وختم لتقليل انبعاثات CO2، أو كعامل ربط في الأقطاب لإنتاج الهيدروجين.

على الرغم من الجدل المتعلق بـ PFAS، تم مؤخرًا اعتماد التيفلون للاستخدام في أشباه الموصلات. وهذا يجعل Chemours الشركة الوحيدة في الولايات المتحدة المصنعة للراتنجات PFA، وهو أمر حاسم لسلسلة إمداد آمنة بموجب قانون CHIPS والعلوم.

بشكل عام، Chemours هي شركة كيميائية متخصصة للغاية، تتمتع بقيادة قوية في قطاعها موروثة من الشركة الأم السابقة DuPont.

بالإضافة إلى التيتانيوم، تمتلك أيضًا بعض حقوق الملكية الفكرية للمواد الكيميائية المتخصصة القيمة. من مبردات الانبعاثات إلى إنتاج واستخدام الهيدروجين، من المرجح أن تستفيد Chemours من اتجاهات خفض انبعاثات الكربون، وكذلك الطلب المتزايد عالميًا على الدهانات والملونات.

قوة علامتها التجارية وعلاقاتها التجارية تجعلها أيضًا شريكًا مثاليًا لبحّاثي جامعة تورنتو لتطوير بدائل للتيفلون، الذي يُعد اليوم مجرد اسم تجاري، وليس محميًا ببراءات اختراع.

أحدث أخبار وتطورات سهم Chemours (CC)

الدراسة المشار إليها

^{1. Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al. Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency. Nature Communications. 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9}