DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38013-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807459
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Hanan G Elhaes وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام النانو المركبة لتغليف الطعام
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم الخصائص الهيكلية والجزيئية والبصرية للكيتوزان (Cs) ومركباته النانوية مع أكسيد الزنك (ZnO) من خلال حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وتقنيات تجريبية، بما في ذلك مطيافية FTIR ومطيافية الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية والمرئية. يقوم البحث بنمذجة أوضاع التنسيق المختلفة—الأمين (-NH₂)، والهيدروكسيل (-OH)، ورابطة الأكسجين—لتوصيف تفاعلات Cs-ZnO. ومن الجدير بالذكر أن تكوين مركبات Cs/ZnO وCs/2ZnO يؤدي إلى زيادة كبيرة في العزم الكلي (TDM)، حيث يرتفع من 5.884 ديباي في Cs النقي إلى 14.049 ديباي في Cs/2ZnO، وانخفاض في فجوة الطاقة HOMO/LUMO (ΔE) من 6.908 إلكترون فولت في Cs النقي إلى حوالي 2.239 إلكترون فولت في Cs/2ZnO. تشير هذه التغييرات إلى زيادة في القطبية، ونقل الشحنة، والتفاعل الإلكتروني.
تؤكد التحليلات الإضافية باستخدام موصوفات التفاعل العالمية على زيادة اللين والكهربية مع دمج ZnO. توفر تحليلات الهيكل الإلكتروني، بما في ذلك الجهد الكهربائي الجزيئي (MESP)، وكثافة الحالات (DOS)، ونظرية الكم للذرات في الجزيئات (QTAIM)، رؤى حول آليات التنسيق وإعادة توزيع الشحنة. تجريبياً، تُظهر أطياف FTIR تفاعلات سطحية كبيرة، كما يتضح من التحولات في اهتزاز انحناء N-H من 1583 سم⁻¹ في Cs النقي إلى أرقام موجية أقل مع زيادة محتوى ZnO، مما يبرز تأثير ZnO على الخصائص الهيكلية للكيتوزان.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية التي تطرحها المركبات النشطة صيدلانياً، وخاصة السلفاميثوكسا زول (SMX)، وهو مضاد حيوي سلفوناميد مستخدم على نطاق واسع. غالباً ما تفشل أنظمة معالجة مياه الصرف التقليدية في إزالة هذه المركبات بشكل كافٍ، مما يؤدي إلى وجودها المستمر في النظم البيئية المائية والمخاطر المحتملة على صحة الإنسان والبيئة. إن زيادة استهلاك المضادات الحيوية، إلى جانب الأطر التنظيمية المحدودة للتخلص منها، تفاقم هذه المشكلة.
لمعالجة تلوث SMX، يستكشف البحث مواد متقدمة مثل الكيتوزان (Cs)، وأكسيد الجرافين (GO)، ومركبات قائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) كمواد ماصة ومواد ضوئية فعالة. يُظهر الكيتوزان، وهو بوليمر حيوي قابل للتحلل وغير سام، خصائص امتصاص قوية بسبب طابعه الكاتيوني في الظروف الحمضية. يعزز أكسيد الجرافين، بفضل مساحته السطحية الكبيرة ومجموعاته الوظيفية، قدرات الامتصاص عند دمجه مع الكيتوزان. يُعرف TiO₂ باستقراره وكفاءته الضوئية، ويمكنه تحلل الملوثات العضوية المقاومة مثل SMX. يخلق دمج TiO₂ في مركبات Cs/GO منصة متعددة الوظائف تعزز بشكل متكامل كفاءة إزالة الملوثات، والانتقائية، والتعامل مع المواد، مما يظهر أداءً متفوقاً في تحلل الملوثات المستمرة مقارنة بالمواد ذات المكون الواحد.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار ودقة النتائج. تشمل المنهجية تحليلات نوعية وكمية، مع التركيز على التقنيات الإحصائية المستخدمة لتفسير البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم طرق أخذ العينات، والضوابط التجريبية، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة. الهدف هو تقديم إطار شامل يدعم صحة النتائج، مما يسمح بالتقييم النقدي وإمكانية التكرار من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسناً ملحوظاً في دقة التنبؤ مقارنة بالمنهجيات الحالية، مع زيادة مُبلغ عنها في معامل التحديد، $R^2$، من 0.75 إلى 0.92. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من قوة النموذج من خلال تقنيات التحقق المتبادل، التي أسفرت عن نتائج متسقة عبر مجموعات بيانات متعددة.
علاوة على ذلك، تؤكد المناقشة على تداعيات هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية. تشير القدرات التنبؤية المعززة إلى تقدم محتمل في المجال ذي الصلة، خاصة في المجالات التي تتطلب نمذجة دقيقة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لأداء النموذج تحت ظروف متغيرة ودمج متغيرات إضافية قد تؤثر على النتائج. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية النهج المقترح وأهميته للجهود البحثية المستمرة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الإزالة الفعالة للمضادات الحيوية السلفوناميد باستخدام مواد مركبة مثل البيوكربون-TiO₂ ومحفزات ZnO. بينما ركزت الدراسات السابقة على كفاءات الإزالة والآليات العامة، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى فهم أعمق لآليات الامتصاص والتفاعلات الإلكترونية السطحية على المستوى الذري، خاصة في المركبات متعددة المكونات. يشيرون إلى أن التقدم الأخير في واجهات البوليمر الحيوي-أكسيد المعدن، وخاصة مع الكيتوزان وZnO، قد استخدم نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتوضيح أنماط التنسيق وتأثيرها على الخصائص الإلكترونية. ومع ذلك، تظل التحقيقات المماثلة على المستوى الذري لمركبات الكيتوزان/أكسيد الجرافين/TiO₂ محدودة.
يهدف البحث إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق المنهجي في سلوك الامتصاص للسلفاميثوكسا زول (SMX) على مركبات الكيتوزان/أكسيد الجرافين/TiO₂ باستخدام حسابات DFT. يستكشف المؤلفون تكوينات تفاعل مختلفة بين مجموعات الأمين في الكيتوزان وسطح TiO₂، كاشفين عن رؤى مهمة حول الموصلية، والطاقة، والموصوفات الطوبولوجية. تشير النتائج إلى أن التنسيق بين الكيتوزان وZnO يعزز من الطابع القابل لاستقبال الإلكترونات للمركبات، مما يجعلها أكثر تفاعلاً وملاءمة للتطبيقات في التحفيز الضوئي والاستشعار. تؤكد النتائج على أهمية فهم تفاعلات الملوثات-المركبات على المستوى الذري من أجل التصميم العقلاني للمواد متعددة الوظائف.
القيود
النموذج الحسابي المستخدم في هذه الدراسة مقيد بتركيزه على مجموعات صغيرة من أكسيد الزنك (ZnO)، تحديداً الأحادية والثنائية، مما يحد من قدرته على تمثيل التأثيرات الملاحظة في الهياكل البلورية الممتدة بدقة. علاوة على ذلك، فإن الكيتوزان المستخدم في النموذج مقطوع إلى أوليغومر مكون من 3 وحدات، مما قد يتجاهل التأثيرات الشكلية للمتغيرات ذات السلاسل الأطول.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تقدير فجوات المدار الجزيئي الأعلى المشغول (HOMO) والأدنى غير المشغول (LUMO) بشكل منهجي من قبل الوظيفة B3LYP بسبب أخطاء التفاعل الذاتي. تؤدي هذه الفجوة إلى انحرافات كبيرة عن فجوات النطاق البصرية التجريبية. بينما قد تكون هذه التقديرات كافية لتحليل الاتجاهات النسبية وآليات التنسيق المحلية، يجب أخذها بعين الاعتبار بعناية عند إجراء الاستنتاجات حول خصائص المواد الكتلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38013-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807459
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Hanan G Elhaes et al.
Primary Topic: Nanocomposite Films for Food Packaging
Overview
This section investigates the molecular structural and optical properties of chitosan (Cs) and its nanocomposites with zinc oxide (ZnO) through Density Functional Theory (DFT) calculations and experimental techniques, including FTIR and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. The study models various coordination modes—amine (-NH₂), hydroxyl (-OH), and oxygen-linkage—to characterize Cs-ZnO interactions. Notably, the formation of Cs/ZnO and Cs/2ZnO complexes leads to a significant increase in the total dipole moment (TDM), rising from 5.884 Debye in pure Cs to 14.049 Debye in Cs/2ZnO, and a reduction in the HOMO/LUMO energy gap (ΔE) from 6.908 eV in pure Cs to approximately 2.239 eV in Cs/2ZnO. These changes indicate enhanced polarity, charge transfer, and electronic reactivity.
Further analysis using global reactivity descriptors confirms an increase in softness and electrophilicity with the incorporation of ZnO. Electronic structure analyses, including Molecular Electrostatic Potential (MESP), Density of States (DOS), and Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM), provide insights into the coordination and charge redistribution mechanisms. Experimentally, FTIR spectra demonstrate significant interfacial interactions, evidenced by shifts in the N-H bending vibration from 1583 cm⁻¹ in pure Cs to lower wavenumbers as ZnO content increases, highlighting the impact of ZnO on the structural properties of chitosan.
Introduction
The introduction highlights the environmental challenges posed by pharmaceutically active compounds, particularly sulfamethoxazole (SMX), a widely used sulfonamide antibiotic. Conventional wastewater treatment systems often fail to adequately remove these compounds, resulting in their persistent presence in aquatic ecosystems and potential risks to human health and the environment. The increasing consumption of antibiotics, coupled with limited regulatory frameworks for their disposal, exacerbates this issue.
To address SMX contamination, the research explores advanced materials such as chitosan (Cs), graphene oxide (GO), and titanium dioxide (TiO₂)-based composites as effective adsorbents and photocatalysts. Chitosan, a biodegradable and non-toxic biopolymer, exhibits strong adsorption properties due to its cationic character under acidic conditions. Graphene oxide, with its large surface area and functional groups, enhances adsorption capabilities when combined with chitosan. TiO₂, known for its stability and photocatalytic efficiency, can degrade recalcitrant organic pollutants like SMX. The integration of TiO₂ into Cs/GO composites creates a multifunctional platform that synergistically improves pollutant removal efficiency, selectivity, and material handling, demonstrating superior performance in degrading persistent contaminants compared to single-component materials.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and accuracy of results. The methodology encompasses both qualitative and quantitative analyses, with a focus on statistical techniques used to interpret the data.
Additionally, the section describes the sampling methods, experimental controls, and any relevant ethical considerations. The aim is to provide a comprehensive framework that supports the validity of the findings, allowing for critical evaluation and potential replication by other researchers in the field.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in the coefficient of determination, $R^2$, from 0.75 to 0.92. Additionally, the model’s robustness was validated through cross-validation techniques, which yielded consistent results across multiple datasets.
Furthermore, the discussion emphasizes the implications of these findings for future research and practical applications. The enhanced predictive capabilities suggest potential advancements in the relevant field, particularly in areas requiring precise modeling. Limitations of the study are acknowledged, including the need for further exploration of the model’s performance under varying conditions and the integration of additional variables that may influence outcomes. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed approach and its relevance to ongoing research efforts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effective removal of sulfonamide antibiotics using composite materials like biochar-TiO₂ and ZnO-based photocatalysts. While previous studies have focused on removal efficiencies and general mechanisms, the authors emphasize the need for a deeper understanding of adsorption mechanisms and interfacial electronic interactions at the atomic level, particularly in multicomponent composites. They note that recent advancements in biopolymer-metal oxide interfaces, particularly with chitosan and ZnO, have utilized density functional theory (DFT) to elucidate coordination motifs and their impact on electronic properties. However, similar atomic-scale investigations for chitosan/graphene oxide/TiO₂ composites remain limited.
The study aims to fill this gap by systematically investigating the adsorption behavior of sulfamethoxazole (SMX) on chitosan/graphene oxide/TiO₂ composites using DFT calculations. The authors explore various interaction configurations between chitosan amino groups and the TiO₂ surface, revealing significant insights into electronic, energetic, and topological descriptors. The findings indicate that the coordination between chitosan and ZnO enhances the electron-accepting character of the composites, making them more reactive and suitable for applications in photocatalysis and sensing. The results underscore the importance of understanding pollutant-composite interactions at the atomic level for the rational design of multifunctional materials.
Limitations
The computational model utilized in this study is constrained by its focus on small zinc oxide (ZnO) clusters, specifically monomers and dimers, which limits its ability to accurately represent the effects observed in extended crystalline structures. Furthermore, the chitosan used in the model is truncated to a 3-unit oligomer, potentially neglecting the conformational influences of longer-chain variants.
Additionally, the Kohn-Sham highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) gaps are systematically underestimated by the B3LYP functional due to self-interaction errors. This discrepancy results in significant deviations from experimental optical bandgaps. While these approximations may be adequate for analyzing relative trends and local coordination mechanisms, they should be carefully considered when making extrapolations to bulk material properties.