زیتل ۱


سرویس نقد و بررسی تخصصی
23 بهمن 1400 ساعت 21:34
0 نظر

 

دانشمندان MIT ماده‌ای سخت‌تر اما سبک‌تر از فولاد را ساخته‌اند!

ماده جدید موسوم به 2DPA-1 نوعی بَس‌پار یا پلیمر است که هم‌وزن پلاستیک اما از فولاد سخت‌تر و از شیشه‌ ضدگلوله کِش‌سان‌تر است!

مهندسان شیمی موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) ماده جدیدی ساخته‌اند که هم‌وزن پلاستیک اما از فولاد سخت‌تر است و به‌سادگی به تولید انبوه می‌رسد.

این ماده جدید، نوعی پلیمر است که برخلاف سایر پلیمرها ساختار دوبعدی دارد. درواقع سایر پلیمرها مثل رشته‌های ماکارونی ساختار زنجیره‌ای و تک‌بعدی دارند اما پلیمر جدید، ساختاری مسطح و دوبعدی تشکیل می‌دهد. دانشمندان تا پیش از این تبدیل پلیمر به صفحه‌های مسطح دوبعدی را غیرممکن می‌دانستند.

با این ماده می‌توان پوشش سبک و بادوامی ساخت تا در تلفن‌های هوشمند و قطعه‌های خودرو یا حتی برای ساخت پل‌ها و سایر سازه‌ها به‌کار رود. پلیمر مذکور اصطلاحا «خودسامان» است که یعنی مولکول‌های آن درون محلولی خاص، طی تعامل با هم و بدون نیاز به دخالت انسان، ساختاری منظم و دوبعدی تشکیل می‌دهند.

توضیح تصویر: ماده جدید، بَس‌پار یا پلیمری دوبعدی و خودسامان است که اجزای آن طی تعامل با هم درون محلولی خاص، به‌شکل صفحه‌های مسطح دوبعدی درمی‌آیند. با این ماده می‌توان پوشش سبک و مقاومی ساخت و در تلفن‌های همراه و قطعه‌های خودرو و حتی در پل‌ها و سایر صنایع از آن بهره برد. تصویر از کریستین دانیلوم، ام‌آی‌تی
 

مایکل استرانو، استاد مهندسی شیمی این موسسه می‌گوید: «ما معمولا پلاستیک را ماده مناسبی برای مقاوم‌سازی ساختمان نمی‌دانیم اما با این ماده جدید، می‌توان چنین چیزی را عملی کرد. این ماده، ویژگی‌های بسیار نامعمولی [جدیدی] دارد.»

 

پلیمر جدید، ماده‌ای دوبعدی است

بیاید کمی پایه‌ای‌تر نگاه کنیم. پلیمرها که همه پلاستیک‌ها را شامل می‌شوند، از زنجیره‌‌هایی تشکیل شده‌اند که به آن‌ها «تک‌پار» یا «مونومر» می‌گویند. با افزوده شدن مولکول‌های جدید به انتهای این زنجیره‌ها، تک‌پارها رشد می‌کنند و در نهایت از به‌هم پیوستن تک‌پارها «بَس‌پار» یا پلیمر تشکیل می‌شود. با استفاده از چاپ سه‌بعدی و مدل‌سازی تزریقی می‌توان اشیای پلیمری سه‌بعدی مثل بطری آب ساخت. تا اینجا همه پلیمرهایی به این شکل در زندگی روزمره خود دیده‌ایم. 

کارشناسان پلیمر از سال‌ها پیش می‌دانستند که اگر پلیمر به‌‌شکل صفحه‌های مسطح دوبعدی در‌آید، ماده بسیار سخت و سبکی خواهدشد، اما پس از چندین دهه تلاش به‌این نتیجه رسیدند که ایجاد پلیمرهای تخت دوبعدی غیرممکن است. یکی از علت‌هایش این بود که اگر فقط یکی از تک‌پارها به‌سمت بالا یا پایین چرخ می‌خورد، صفحه پلیمری تاب برمی‌داشت و به ساختاری سه‌بعدی تبدیل می‌شد. در این‌صورت، تمام ساختار مسطح دوبعدی به‌هم می‌خورد و ماده مذکور، ویژگی‌های موردنظر را از دست می‌داد.

 

اما استرانو و همکارانش نهایتا شیوه جدیدی به‌کار بردند و نهایتا توانستند صفحه‌هایی دوبعدی موسوم به پلی‌آرامید (polyaramide) تولید کنند. آن‌ها برای ایجاد تک‌پارها یا مونومرهای تشکیل‌دهنده ماده، از ملامین بهره بردند. ملامین از حلقه‌های کربنی و اتم‌های نیتروژن تشکیل شده‌ است. اگر شرایط مناسب فراهم شود، تک‌پارها به‌صورت دوبعدی رشد می‌کنند و به‌شکل ستونی از لایه‌های گرد مسطح درمی‌آیند که چون بین‌شان پیوند هیدروژنی برقرار است، ساختار بسیار پایدار و محکمی دارند. به‌عبارت دیگر، مولکول‌ها نه به‌صورت رشته‌های تک‌بعدی بلکه به‌شکل صفحه‌های مسطح دوبعدی رشد می‌کنند و ساختارشان را حفظ می‌کنند.

این ماده در محیط محلول‌ خودبه‌خود شکل می‌گیرد یا به عبارت دیگر، خودسامان است. برای همین اگر حجم ماده اولیه را افزایش دهید، می‌توانید آن‌را به‌راحتی به تولید انبوه برسانید. محققان نشان دادند که می‌توان سطوح مختلف را با لایه‌هایی از جنس این ماده پوشاند. آن‌ها این ماده را 2DPA-1 نامیده‌اند.

 

ماده 2DPA-1، سبک اما قوی

محققان دریافتند که این ماده جدید در مقایسه با شیشه ضدگلوله 4 تا 6 برابر خاصیت ارتجاعی یا کش‌شانی بیشتری دارد؛ یعنی به همین میزان نیروی بیشتری را تحمل می‌کند (خاصیت ارتجاعی میزان مقاومت ماده در برابر تغییر شکل را مشخص می‌کند). پژوهشگران همچنین دریافتند با این‌که چگالی 2DPA-1 یک‌ششم چگالی فولاد است، اما استحکام میدانی آن (مقاومتش در برابر شکستگی) در مقایسه با فولاد دو برابر است!

دیگر خاصیت مهم 2DPA-1 رسوخ‌ناپذیری آن در برابر گازها است. سایر پلیمرها از زنجیره‌های مارپیچی تشکیل شده‌اند که بین‌شان فضای خالی وجود دارد، لذا گازها می‌توانند از آن فضاهای خالی بگذرند. اما بَس‌پار یا پلیمر جدید از تک‌پارها یا مونومرهایی تشکیل شده است که مثل قطعه‌های لگو به هم چفت شده‌اند و مولکول‌های گاز نمی‌توانند از بین‌شان بگذرند. درنتیجه، با این ماده می‌توان پوشش‌های فوق‌نازکی ساخت که آب یا گاز نتواند از آن عبور کند. چنین پوششی می‌تواند از قطعه‌های فلزی خودروها و سایر سازه‌های فولادی محافظت کند.

 

استرانو و دانشجویانش به مطالعه جزییات ماده جدید مشغولند تا دریابند این پلیمر خاص چگونه می‌تواند لایه‌های دوبعدی تشکیل دهد. آن‌ها همچنین ساختار مولکولی این ماده را تغییر می‌دهند تا مواد جدیدی بسازند.



  23 بهمن 1400
0 نظر
5.00
  1 رای

نظرات کاربران

در حال بارگذاری