دور علم النانوت في تطوير مواد التلقيم الخفيف، المواد القابلة للتعبئة

وتشهد صناعة التغليف تحولاً عميقاً، مدفوعاً بالحاجة إلى مواد أخف وأقوى، مع الحد من التأثير البيئي أيضاً، وفي مقدمة هذا التحول علم النانو - علم التلاعب على النطاق الذري والجزئي - الذي يقل عادة عن 100 سموم، يقوم الباحثون والمصنعون ببحث أوجه التقدم في مجال التغليف في الأسواق التي تعتبر ذات أهمية قصوى:

فهم علم النانو في سياق التغليف

إن علم النانو ليس تكنولوجيا واحدة بل مجموعة واسعة من التقنيات لتصميم ووصف وإنتاج هياكل ذات بعد واحد على الأقل في النطاق 1 إلى 100 نانوميتر، ويمكن لهذه الكمية أن تختلف الخصائص الفيزيائية والكيميائية اختلافا كبيرا عن تلك التي تستخدمها المادة السائبة، فعلى سبيل المثال، تصبح مادة الغليان التي لا تُعد على نطاق الميكرومتر حاجزا فعالا للغاية ضد الأوكسجين والرطوبين عند ظهور النسيج في مقياس السائب النان.

وفي التغليف، تتمثل الأهداف الرئيسية في خفض الوزن (لخفض تكاليف النقل واستخدام المواد)، وزيادة القابلية للدوام (لمنع الضرر وتوسيع نطاق حياة الرف)، وتحسين أداء الحاجز (لحماية المحتويات من الأكسجين والرطوبة والضوء والميكروبات)، وتعالج التكنولوجيا النانوية الثلاثة جميعها في آن واحد، وكثيرا ما تستخدم كميات صغيرة جدا من المواد المضافة البحرية التي تفرق في مصفوفة متعددة أو تُطبق كزيادة كبيرة في التكاليف.

كيف يحسن علم النانو الأداء

تخفيض الوزن الدرامي بدون التضحية بـ (سترينج)

ومن أكثر المزايا إلحاحا في علم النانوات القدرة على خفض وزن التغليف مع الحفاظ على القوة الميكانيكية أو حتى تحسينها، إذ أن العبوة التقليدية للوزن الخفيف، مثل الأفلام البلاستيكية الرقيقة، كثيرا ما تعاني من مقاومة ضعيفة أو انتشار للدموع، إذ أن المواد النانوية مثل نانووب الكربون والنانوكلايات يمكن أن تعزز مصفوفات البوليمر، مما يؤدي إلى زيادة في المائة من البوليكومرات الأساسية.

فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكون زجاجات الترميز البوليثيلين المعززة بالنانويات أكثر رقاقة مع استمرار الضغط على المشروبات الكربونية، وبالمثل، فإن البوليمرات الأحيائية مثل حمض البوليتكات كثيرا ما تكون ملتوية للغاية بالنسبة للتغليف؛ وتدمج السلف النانوية الخلوية أو الخلايا المغنوية التي تُحوِّلها إلى أهداف صعبة ومرنة.

سوبيور باريير بروفيسور الحياة الفموية

وربما يكون أداء الحواجز هو أهم فوائد التكنولوجيا النانوية في التغليف، فآوكسجين والرطوبة والضوء فوق البنفسجي هي المذنب الرئيسي في الإفساد الغذائي، وتكسيد المستحضرات الصيدلانية، وتدهور الإلكترونيات، والمواد التقليدية للحاجز مثل رغوة الألومنيوم أو الكحول الميثيلين فينيل فعالة ولكنها تضيف الرؤوس، وتضيف حواجز وزنية، ويمكن أن تكون باهظة.

إن النانويات، ولا سيما الناموسيليونيت، هي أكثر المدافن التي درست واستخدمت على نطاق واسع لتحسين الحاجز، وعندما تفرق بشكل سليم، فإن هذه الجسيمات ذات الشكل اللوطي تخلق مساراً متقلباً يجب أن تبحر فيه جزيئات الغاز، وتبطيء بدرجة كبيرة في الطول، وإن كان تحميل 5 في المائة من الخواص النانوية في فيلم النيلون يمكن أن يقلل من قابلية الارتطام الأوكسجين بما يزيد على 90 في المواد الجديدة،

وبالإضافة إلى الحواجز السلبية، فإن التكنولوجيا النانوية تتيح نظم الحاجز النشطة، فعلى سبيل المثال، يمكن للمحتالين على الأكسجين النانوي، مثل الجسيمات النانوية الحديدية أو المحفزات القائمة على النخيل والمتجسدة في فيلم التغليف، أن يستوعب الأكسجين المتبقي ضمن مجموعة مُغلقة، مما يوسع نطاق عمر الرف من المنتجات الحساسة للأكسجين مثل البيرة والنبيذ واللحوم المجهزة.

مكافحة المخدرات والتنشيط

وتُظهر الجسيمات النافعة من الفضة والنحاس وأكسيد الزنك وثاني أكسيد التتانيوم نشاطاً مضاداً للصدمات الوبائية ذات الأطياف الواسعة، حيث إن دمجها في أسطح التغليف يمكن أن يحول دون نمو البكتيريا والفطريات، بل وحتى بعض الفيروسات، مما يقلل من خطر الإصابة بالمرض المولد للغذاء والتدمير، كما أن الجسيمات النانوية الفضية هي أكثر المواد تقدماً تجارياًاًاًاًاً، وتستخدم في الحاويات الطبية، والمستخدمة، والمطبخ.

بالإضافة إلى مضادات الأوبئة، فإن علم النانوات يتيح عبوات "ذكية" يمكنها تغيير اللون استجابةً للخرائط (المجسات) أو إطلاق الحافظات عند الطلب (مركبات نشطة مأهولة) أو الحفاظ على مستويات دقيقة للرطوبة (الحلوى المُعدية) وتنتقل هذه الابتكارات من حاوية سلبية إلى مشارك نشط في حفظ المنتجات.

المُنتجات الرئيسية المستخدمة في التغليف

نانوكلايدز

إن النانويات، ولا سيما المونتموريلينيت والكاولينيت، هي مواضع مبسطة يمكن أن تُنقَط إلى لوحات ناوية، وهي غير مكلفة، ووافرة، وتستخدم بالفعل في عبوات نانوية تجارية لزجاجات البيرة، ولفائف الجبن، والأفلام المتعددة الطوابع، ويتمثل التحدي الرئيسي في تحقيق تفريق موحد لتجنب الاختناق،

Carbon Nanotubes

(ب) إن النانووبات الكربونية هي جزيئات مسيلية للكربون ذات القوة الضاربة الاستثنائية (أكثر من الصلب 100 مرة) وسلوك كهربائي مرتفع، وفي التغليف، تستخدم النيترات الوطنية كتعزيزات للقوام الميكانيكي وكحاملات موصلات لسلك تطبيقات الحماية الكهربية المضادة للإحصائيات، وتحد من ارتفاع تكاليفها والشواغل الصحية المحتملة (تخفيض السمية) من انتشارها، ولكن البحوث لا تزال مستمرة.

الجسيمات النانوبية المعدنية

وتُستخدم الجسيمات الفضية والنحاسية والذهبية أساساً في ممتلكاتها المضادة للصدمات، فسيلفر هي الأكثر شيوعاً بسبب نشاطها النانوبوي الواسع النطاق، كما توفر جزيئات أكسيد الزنك قدرات حجب المركبات فوق البنفسجية، مما يجعلها مفيدة في التغليف الشفاف الذي يحمي المنتجات الحساسة للضوء.

Cellulose Nanocrystals and Nanofibrils

Derived from plant biomass, cellulose nanocrystals (CNCs) and nanofillated cellulose (NFC) are sustainable nanomaterials that offer high strength, low density, and good barrier properties and they are particularly attractive for biopolymer reinforcement and as a replacement for synthetic nanofillers. Challenges include efficient production (energy- intensive and).

سيليكا نانوب جزيئات

ويمكن لنانوسيليكا أن تحسن الخصائص الميكانيكية والحرارية للأفلام المتعددة المرات، وأن توفر سطحاً للتشغيل، وكثيراً ما تستخدم بالاقتران مع المواد النانوية الأخرى لتحقيق آثار تآزرية، مثل تحسين تفريق النانوكليز.

دراسات الحالة: علم النانوتشونيا في التغليف التجاري

وقد قامت عدة شركات بالفعل بجلب عبوة معززة بالنانويتش إلى السوق، فعلى سبيل المثال، اعتمدت صناعة التطهير زجاجات من البير المجهزة بالنانويات المجهزة بالزراعة والممتدة لحياة الرف من 90 إلى 180 يوماً بتخفيض الاكسجين، وكانت شركة هيت بريري في كوريا الجنوبية معتمداً مبكراً، باستخدام زجاجات نانوية حلت محل الزجاج الثقيل وجهازاً للخسائر الجبن.

وفي قطاع الإلكترونيات، تستخدم مركبات النانووب والغرافينيون الخفيف الوزن، وتعبئة العناصر الحساسة واقية، وتوفير كل من القوة الميكانيكية، وحماية التصريف الكهروستاني، وتستخدم عبوات الأجهزة الطبية معطفات من الفضة للاحتفاظ بالعقم.

Another promising area is activepackaging for fresh produce. A recent development from researchers at the University of St Andrews uses a nanofiber mat impregnated with essential oils and silver nanoparticles to regulate humidity and inhibit microbial growth, extending the shelf life of strawberries from 2-3 days to over 10 days. A study published in [Fnote:]

الأثر البيئي والاقتصادي

والفوائد البيئية الرئيسية لعلم النانوتشي في التغليف هي خفض المصادر: استخدام مواد أقل لتحقيق نفس الأداء أو أداء أفضل، ويعني التغليف بالخفيف استهلاكا أقل من الوقود الأحفوري أثناء النقل وأقل نفايات بعد الاستخدام، فعلى سبيل المثال، تقل قنينة PET المنفذة حديثا بنسبة 20 في المائة عن زجاجة تقليدية من نفس الحجم، مما يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في انبعاثات الكربون في سلسلة الإمدادات، وإذا ما تم اعتمادها على نطاق واسع، فإن الأثر التراكمي يمكن أن يكون كبيرا.

غير أنه يجب النظر أيضاً في الآثار البيئية للإنتاج النانوي، إذ أن بعض المواد النانوية (مثلاً، النفثالينات والغرافين) تتطلب توليفاً كثيفاً للطاقة، يمكن أن يعوض المكاسب الناتجة عن خفض الوزن.() ولا تزال تقييمات دورة الحياة بالنسبة لتطبيقات محددة محدودة، ولكن النتائج المبكرة تشير إلى أن الفوائد الإجمالية الصافية إيجابية بالنسبة للندوات البحرية القائمة على التحلل في خط الأساس()

ومن الناحية الاقتصادية، تضيف التكنولوجيا النانوية علاوة على مواد التغليف، وتكلف النانوكلاي حوالي 10 إلى 20 دولاراً لكل كيلوغرام، بينما يمكن أن تتجاوز الجزيئات النانوية الفضية 500 دولار لكل كيلوغرام، ولكن نظراً لأن هذه الأقساط تستخدم بكميات صغيرة جداً (وفي كثير من الأحيان تقل عن 5 في المائة بالوزن)، فإن الزيادة الإجمالية في التكاليف تفوق بكثير المواد الصيدلانية التقليدية بنسبة 5 إلى 15 في المائة.

ثانيا - التحديات والاعتبارات المتعلقة بالسلامة

وعلى الرغم من الوعد، فإن التكنولوجيا النانوية في التغليف تواجه عقبات كبيرة، وأكثرها إلحاحا هو عدم اليقين بشأن الآثار الصحية والبيئية للمواد النانوية المصممة، وعندما يتم إدراجها في مصفوفة متعددة، فإن المواد النانوية تكون مطهورة إلى حد كبير وتطرح مخاطر ضئيلة أثناء الاستخدام العادي، غير أن هناك شواغل بشأن التخلص من المواد المائية: إذا كانت المواد العضوية ذات الحجم الفضي أو المعاد تدويرها.

(أ) أصدرت الهيئة الأوروبية للسلامة الغذائية مبادئ توجيهية لتقييم سلامة المواد النانوية في مواد الاتصال الغذائي، مما يتطلب إجراء تقييم لكل حالة على حدة، ولا توجد لدى وكالة الأغذية الاتحادية الأمريكية أنظمة خاصة بالنانش بل تقيّمها في إطار الأطر القائمة، ويخلق عدم اليقين لدى المصنعين الذين يرغبون في تصدير المنتجات.

وثمة تحد آخر هو القدرة على التصعيد، إذ أن نجاحات كثيرة على نطاق المختبر لا تترجم إلى الإنتاج الصناعي بسبب الصعوبات التي تواجه تحقيق تشتت مستمر في الجسيمات النانوية، وارتفاع تكاليف التصنيع، أو نقص المعدات المتخصصة، وصناعة التغليف تحركها أحجام، مع هامش ربح ضئيل؛ ويجب أن توفر المواد الجديدة ميزة أداء واضحة بتكلفة لا تتجاوز 10 إلى 20 في المائة عن الفترة التي يشغلها.

وأخيراً، يمكن أن يكون قبول المستهلك مسألة، فمصطلح " علم النانو " يحفز أحياناً الخوف من مخاطر غير معروفة، مثل ردود الفعل المبكرة على الكائنات المحورة وراثياً، فالتواصل عبر الحدود بشأن الفوائد والسلامة، إلى جانب وضع علامات واضحة عند الاقتضاء، أمر أساسي لبناء الثقة.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

وتتجه البحوث نحو المواد النانوية المتعددة الوظائف التي تجمع بين عدة منافع في مادة واحدة مضافة، مثلاً، الجسيمات النانوية الهجينة التي توفر في الوقت نفسه تحسيناً للحاجز، والنشاط المضاد للأوبئة، وحماية المركبات غير المرئية يمكن أن تبسط التركيبة وتخفض التكاليف.() وتُعد المعاطف المجهزة بالهياكل المطبقة عن طريق عمليات التدفئة إلى النتائج محور تركيز آخر، حيث تتيح الحد الأدنى من نقاط التغليف التقليدية (اليد (ال، اللوحية، اللوحية، واللدائن).

Biodegradable nanocomposites are a major area of interest. Combining biodegradable polymers (PLA, PHA, starch) with nanofillers that enhance theirميكانيكيal and barrier properties could create truly sustainablepack that performs like conventional plastic but composts after use. Cellulose nanocrystals are particularly promising in this context because they are both renewable and biodegradable.[

وثمة حدود أخرى تتمثل في استخدام المواد النانوية في تصفية العبوات الصالحة للأكل التي يتم صنعها من البروتينات أو البوليساريدات التي تعزز بالألياف النانوية أو الجسيمات التي يمكن استهلاكها مع الأغذية، مما قد يزيل نفايات التغليف كلياً بالنسبة لمنتجات معينة مثل شرائح الجبن المغلفة أو أجزاء الوجبات الخفيفة.

وأخيرا، فإن دمج أجهزة الاستشعار النانوية والوصل بالبيانات (الشبكة الداخلية للتعبئة) على الأفق، ويمكن لأجهزة الاستشعار النانوية المدمجة في العبوة أن ترصد درجة الحرارة، والرطوبة، وتكوين الغاز، بل وحتى الحمولة المجهرية، وتحيل المعلومات اللاسلكية إلى نظم سلسلة الإمداد أو الهواتف الذكية للمستهلكين، ويمكن أن تؤدي هذه العبوة الذكية إلى الحد من النفايات الغذائية عن طريق توفير معلومات حديثة العهد بدلا من التأثير.

خاتمة

وتوفر التكنولوجيا النانوية مجموعة أدوات قوية لتطوير مواد التعبئة ذات الوزن الخفيف والدائم التي تعالج التحديات المزدوجة للأداء والاستدامة، ومن النانوكليز الذين يحجبون الأكسجين إلى الجسيمات النانوية الفضية التي تحارب البكتيريا، فإن هذه المواد الصغيرة تحدث بالفعل فرقا في التطبيقات المتخصصة، ويستلزم الطريق إلى الاعتماد الواسع النطاق التغلب على العقبات التقنية في مجال التصعيد الصناعي، وضمان تقييم دقيق للأمان، وبناء ثقة المستهلك.