دنیای آینده با مواد جادویی؛ پنجره‌ها خود را تمیز می‌کنند
خراش‌ها با نور ماوراء بنفش محو می‌شوند
آفتاب‌‌نیوز : آفتاب: فناوری‌های نوین به دانشمندان کمک کرده‌اند که در سال‌های اخیر موادی را توسعه دهند که به نظر می‌رسند از قلب داستان‌های علمی تخیلی بیرون آمده‌اند که ویژگی‌های شگفت‌انگیزی دارند و قادرند خود را به تنهایی بازسازی و ترمیم کنند.
اجسامی که قادرند به تنهایی خود را ترمیم کنند، پنجره‌هایی که گرد و غبار را از روی خود می‌زدایند و خراشهایی که در معرض نور ماوراء بنفش محو می‌شوند. با کنار هم چیدن این مناظر به نظر می‌رسد که مستقیماً وارد دنیای خیالی یک داستان علمی تخیلی شده‌ایم. اما مواردی که ذکر شد کاملاً در دنیای واقعی و به دست دانشمندان معتبرترین مراکز علمی و تحقیقاتی دنیا ساخته شده‌اند.
این دستاوردها تنها بخشی از جنبه‌های حقیقتی هستند که در سال‌های اخیر دانشمندان علم مواد موفق شده‌اند آن را با استفاده از سطوح هوشمند به واقعیت تبدیل کنند. بنابراین می‌توان انتظار داشت که در آینده‌ای نزدیک دنیا وارد عصری با ویژگی‌های واقعاً جادویی می‌شود.
فناوری‌هایی که در پشت این مواد قرار گرفته‌اند هر‌لحظه تغییر چهره می‌دهند و می‌توانند کاربردهای جدیدی در عرصه‌های وسیعی از پزشکی زیستی و گجت‌های الکترونیکی تا خودروسازی و تزئینات داخلی کسب کنند.
در اینجا به بررسی برخی از این فناوری‌ها و محصولات نوآورانه‌ای می‌پردازیم که می‌توانند دنیای آینده را با تحولات بزرگی مواجه کنند.
پلاستیک‌های آینده‌نگرانه و پلیمرهای فوق مولکولی
SupraB عنوان نوع جدیدی ماده است که می‌تواند به خاطر یک بازی هوشمندانه میان پیوندهای هیدروژن خود را ترمیم کند.
این ماده در مقوله پلیمرها و ماکرومولکول‌ها (مولکول‌هایی که از تعداد زیادی واحد اتمی ساخته شده‌اند) قرار می‌گیرد.
مهندسان مواد «دانشگاه فنی ایندهوون» در هلند به این ماده جدید دست یافته‌اند. درحالی که در بیشتر پلیمرها گره‌های مختلفی از زنجیره مولکولی با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند، در پلیمرهای فوق مولکولی این واحدها توسط پیوندهای برگشت‌پذیر و جهت پذیری چون پیوندهای هیدروژن در کنار هم قرار می‌گیرند.
از این نوع پیوندها (از نوع پیوندهایی که منجر به فشار سطح و چسبندگی مولکولهای آب می‌شود) خواص جادویی این پلاستیک جدید ایجاد می‌شود.
دانشمندان در SupraB تعداد پیوندهای هیدروژنی میان مولکول‌ها را ۴ برابر کرده‌اند به این ترتیب، پلیمر مقاومی همانند سایر انواع پلاستیک به وجود آوردند که مستقل از واکنش‌های شیمیایی لازم برای متحد کردن مولکولهای مختلف عمل می‌کند.
نتایج تحقیقات دانشمندان هلندی نشان می‌دهد که SupraB ماده ای است که وقتی می‌شکند و یا پاره می‌شود می‌تواند خود را ترمیم کند. کافی است که قسمتهای شکسته شده را کمی به عقب برگردانیم و آن‌ها را کمی دستکاری کنیم.
به اعتقاد توسعه دهندگان SupraB، این پلیمر می‌تواند برای اهداف بسیار متنوعی از ساخت اسباب بازی‌ها، عینک‌ها و فریم‌ها تا روکشهای حفاظتی برای انواع مختلف اجسام از رایانه های قابل حمل تا تلفنهای همراه هوشمند به کار رود.
ماده فوق‌دافع
تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد مادهای به نام SLIPS (مایع لغزنده خلل فرج دار القایی) را ساخته‌اند. منبع الهام این دانشمندان در ساخت این ماده، نوعی گیاه گوشتخوار بود.
گیاه گوشتخوار گونه Nepenthes مجهز به برگ‌هایی است که سطح آن‌ها بسیار لغزنده است و از آن‌ها برای به دام انداختن حشرات و حتی قورباغه‌های کوچک استفاده می‌کند.
این اثر شبیه به لیز خوردن خودرو بر روی سطح خیابان است. اگر یک مورچه بدشانس بر روی برگ‌های این گیاه بیاید چربی زیر پاهایش به این روکش نمی‌چسبد و به داخل دهان گیاه سر می‌خورد. درست همانند زمانی که یک قطره روغن بر روی آب می‌لغزد.
این برگ‌ها به خاطر یک لایه از مایعی که سطح آن‌ها را پوشانده است نسبت به آب باران خاصیت نفوذناپذیری دارند.
«جووانا آیزنبرگ»، استاد مدرسه علوم مواد دانشگاه هاروارد در این خصوص توضیح داد: «ما با الهام از این مکانیزم شگفت‌انگیز طبیعی، ماده ای را ایجاد کردیم که قادر است تقریباً هر نوع مایع یا جامد را دفع کند. برای ایجاد این سطوح بسیار لیز، ما یک ماده میکروساختار متخلخل را با یک مایع لغزنده کننده پوشاندیم.»
این دانشمند افزود: «سطوح به دست آمده حتی در شرایط سختی چون فشار بسیار بالا و دمای بسیار پایین نیز هیچ مادهای را بر روی سطح خود نگه نداشتند.»
به گفته این محققان، دامنه استفاده از این ماده بسیار وسیع است و می‌تواند در فناوری‌های شیمی‌زیستی که برای ساخت لوله‌های حمل آب و سوخت استفاده می‌شوند و یا برای تولید فناوری‌های ضدیخ و ضدآلاینده به کار روند.
از دیگر کاربردهای آن، ساخت پنجره‌هایی است که به تنهایی خود را تمیز می‌کنند و یا تولید سطوح مقاوم به باکتری‌ها که در عرصه پزشکی استفاده‌های فراوانی دارند.
مادهای که با نور ماوراء بنفش خود را صاف می‌کند
از همکاری میان محققان آمریکایی و سوئیسی مادهای توسعه یافته است که به نظر می‌رسد تاثیر بسیاری در زندگی روزمره داشته باشند. در حقیقت حداقل یکبار در زندگی برای شما اتفاق افتاده است که خراشهایی را بر روی بدنه خودروی خود مشاهده کنید.
در این مورد، یک پلیمر فوق مولکولی می‌تواند تمام این خطوط و خراش‌ها را در معرض یک منبع نور ماوراء بنفش محو کند.
این پلیمر که می‌تواند به عنوان رنگ خودرو استفاده شود در شرایط عادی به صورت جامد است. وقتی این سطح خراش می‌بیند می‌توان آن را در معرض نور ماوراء بنفش قرار داد. در این حالت، ماده مایع می‌شود. زمانی که چراغ خاموش می‌شود حتی پس از یک دقیقه، این پلیمر مجدداً جامد و صاف می‌شود درحالی که خراش‌ها محو شده‌اند.
به گفته این محققان، این ماده فرزند مکانیکی است که «جمع‌آوری فوق مولکولی» نام دارد. در «جمع‌آوری فوق مولکولی» نیمی از پیوندهای فوق مولکول از نوع پیوندهای غیرکووالانسی هستند.
«استوارت روآن»، مدیر موسسه مواد پیشرفته دانشگاه «کیس وسترن ریزرو» در کلوند اوهایو در این خصوص توضیح داد: «در تفاوت با پلیمرهای سنتی که از ترکیبات مولکولی بلندی متشکل از هزاران اتم ساخته شده‌اند، پلیمری که ما توسعه دادیم از مولکولهای کوچک‌تری تشکیل شده است که همگی با استفاده از یونهای فلزات در کنار هم به صورت زنجیروار جمع شده‌اند. اگر این ماده در معرض نور ماوراء بنفش شدیدی قرار گیرد این ساختارها به طور موقت از هم جدا می‌شوند و یک حالت مایع را به وجود می‌آورند و زمانی که لامپ ماوراء بنفش خاموش می‌شود به شرایط اولیه بازمی‌گردد. ما این ماده را با خراش‌های شدید آزمایش کردیم و به دفعات دیدیم که توانست تغییر کند و هیچ نشانه‌ای از خراشیدگی را باقی نگذارد.»
مادهای با درجه سختی متغیر
پایگاه دیگر تولید مواد هوشمند در آلمان و در دانشگاه فنی هامبورگ قرار دارد. در این دانشگاه، گروهی به سرپرستی «یورگ مولر» با همکاری دانشمندان موسسه تحقیقات مواد چین در شانگ‌های مادهای را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند از حالت سفت و شکننده به حالت نرم و انعطاف پذیر تغییر کند.
«پورگ مولر» در توصیف عملکرد این ماده اظهار داشت: «برپایه کشف ما دو عنصر وجود دارند که شامل یک فلز با ارزش با ساختار به شدت متخلخل و یک محلول نمکی است که می‌توانند جریان برق را انتقال دهند.»
به این ترتیب، کافی است که از پالس الکتریکی و درجه سختی فلزی که می‌تواند با تغییر نیروی میدان پیوندهای خود کنترل شود استفاده کرد. راز موفقیت این ماده در نانوساختار متخلخل فلز ما نهفته است و محلول نمکی تنها برای هدایت جریان برق به کار می‌رود.
اجسامی که قادرند به تنهایی خود را ترمیم کنند، پنجره‌هایی که گرد و غبار را از روی خود می‌زدایند و خراشهایی که در معرض نور ماوراء بنفش محو می‌شوند. با کنار هم چیدن این مناظر به نظر می‌رسد که مستقیماً وارد دنیای خیالی یک داستان علمی تخیلی شده‌ایم. اما مواردی که ذکر شد کاملاً در دنیای واقعی و به دست دانشمندان معتبرترین مراکز علمی و تحقیقاتی دنیا ساخته شده‌اند.
این دستاوردها تنها بخشی از جنبه‌های حقیقتی هستند که در سال‌های اخیر دانشمندان علم مواد موفق شده‌اند آن را با استفاده از سطوح هوشمند به واقعیت تبدیل کنند. بنابراین می‌توان انتظار داشت که در آینده‌ای نزدیک دنیا وارد عصری با ویژگی‌های واقعاً جادویی می‌شود.
فناوری‌هایی که در پشت این مواد قرار گرفته‌اند هر‌لحظه تغییر چهره می‌دهند و می‌توانند کاربردهای جدیدی در عرصه‌های وسیعی از پزشکی زیستی و گجت‌های الکترونیکی تا خودروسازی و تزئینات داخلی کسب کنند.
در اینجا به بررسی برخی از این فناوری‌ها و محصولات نوآورانه‌ای می‌پردازیم که می‌توانند دنیای آینده را با تحولات بزرگی مواجه کنند.
پلاستیک‌های آینده‌نگرانه و پلیمرهای فوق مولکولی
SupraB عنوان نوع جدیدی ماده است که می‌تواند به خاطر یک بازی هوشمندانه میان پیوندهای هیدروژن خود را ترمیم کند.
این ماده در مقوله پلیمرها و ماکرومولکول‌ها (مولکول‌هایی که از تعداد زیادی واحد اتمی ساخته شده‌اند) قرار می‌گیرد.
مهندسان مواد «دانشگاه فنی ایندهوون» در هلند به این ماده جدید دست یافته‌اند. درحالی که در بیشتر پلیمرها گره‌های مختلفی از زنجیره مولکولی با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند، در پلیمرهای فوق مولکولی این واحدها توسط پیوندهای برگشت‌پذیر و جهت پذیری چون پیوندهای هیدروژن در کنار هم قرار می‌گیرند.
از این نوع پیوندها (از نوع پیوندهایی که منجر به فشار سطح و چسبندگی مولکولهای آب می‌شود) خواص جادویی این پلاستیک جدید ایجاد می‌شود.
دانشمندان در SupraB تعداد پیوندهای هیدروژنی میان مولکول‌ها را ۴ برابر کرده‌اند به این ترتیب، پلیمر مقاومی همانند سایر انواع پلاستیک به وجود آوردند که مستقل از واکنش‌های شیمیایی لازم برای متحد کردن مولکولهای مختلف عمل می‌کند.
نتایج تحقیقات دانشمندان هلندی نشان می‌دهد که SupraB ماده ای است که وقتی می‌شکند و یا پاره می‌شود می‌تواند خود را ترمیم کند. کافی است که قسمتهای شکسته شده را کمی به عقب برگردانیم و آن‌ها را کمی دستکاری کنیم.
به اعتقاد توسعه دهندگان SupraB، این پلیمر می‌تواند برای اهداف بسیار متنوعی از ساخت اسباب بازی‌ها، عینک‌ها و فریم‌ها تا روکشهای حفاظتی برای انواع مختلف اجسام از رایانه های قابل حمل تا تلفنهای همراه هوشمند به کار رود.
ماده فوق‌دافع
تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد مادهای به نام SLIPS (مایع لغزنده خلل فرج دار القایی) را ساخته‌اند. منبع الهام این دانشمندان در ساخت این ماده، نوعی گیاه گوشتخوار بود.
گیاه گوشتخوار گونه Nepenthes مجهز به برگ‌هایی است که سطح آن‌ها بسیار لغزنده است و از آن‌ها برای به دام انداختن حشرات و حتی قورباغه‌های کوچک استفاده می‌کند.
این اثر شبیه به لیز خوردن خودرو بر روی سطح خیابان است. اگر یک مورچه بدشانس بر روی برگ‌های این گیاه بیاید چربی زیر پاهایش به این روکش نمی‌چسبد و به داخل دهان گیاه سر می‌خورد. درست همانند زمانی که یک قطره روغن بر روی آب می‌لغزد.
این برگ‌ها به خاطر یک لایه از مایعی که سطح آن‌ها را پوشانده است نسبت به آب باران خاصیت نفوذناپذیری دارند.
«جووانا آیزنبرگ»، استاد مدرسه علوم مواد دانشگاه هاروارد در این خصوص توضیح داد: «ما با الهام از این مکانیزم شگفت‌انگیز طبیعی، ماده ای را ایجاد کردیم که قادر است تقریباً هر نوع مایع یا جامد را دفع کند. برای ایجاد این سطوح بسیار لیز، ما یک ماده میکروساختار متخلخل را با یک مایع لغزنده کننده پوشاندیم.»
این دانشمند افزود: «سطوح به دست آمده حتی در شرایط سختی چون فشار بسیار بالا و دمای بسیار پایین نیز هیچ مادهای را بر روی سطح خود نگه نداشتند.»
به گفته این محققان، دامنه استفاده از این ماده بسیار وسیع است و می‌تواند در فناوری‌های شیمی‌زیستی که برای ساخت لوله‌های حمل آب و سوخت استفاده می‌شوند و یا برای تولید فناوری‌های ضدیخ و ضدآلاینده به کار روند.
از دیگر کاربردهای آن، ساخت پنجره‌هایی است که به تنهایی خود را تمیز می‌کنند و یا تولید سطوح مقاوم به باکتری‌ها که در عرصه پزشکی استفاده‌های فراوانی دارند.
مادهای که با نور ماوراء بنفش خود را صاف می‌کند
از همکاری میان محققان آمریکایی و سوئیسی مادهای توسعه یافته است که به نظر می‌رسد تاثیر بسیاری در زندگی روزمره داشته باشند. در حقیقت حداقل یکبار در زندگی برای شما اتفاق افتاده است که خراشهایی را بر روی بدنه خودروی خود مشاهده کنید.
در این مورد، یک پلیمر فوق مولکولی می‌تواند تمام این خطوط و خراش‌ها را در معرض یک منبع نور ماوراء بنفش محو کند.
این پلیمر که می‌تواند به عنوان رنگ خودرو استفاده شود در شرایط عادی به صورت جامد است. وقتی این سطح خراش می‌بیند می‌توان آن را در معرض نور ماوراء بنفش قرار داد. در این حالت، ماده مایع می‌شود. زمانی که چراغ خاموش می‌شود حتی پس از یک دقیقه، این پلیمر مجدداً جامد و صاف می‌شود درحالی که خراش‌ها محو شده‌اند.
به گفته این محققان، این ماده فرزند مکانیکی است که «جمع‌آوری فوق مولکولی» نام دارد. در «جمع‌آوری فوق مولکولی» نیمی از پیوندهای فوق مولکول از نوع پیوندهای غیرکووالانسی هستند.
«استوارت روآن»، مدیر موسسه مواد پیشرفته دانشگاه «کیس وسترن ریزرو» در کلوند اوهایو در این خصوص توضیح داد: «در تفاوت با پلیمرهای سنتی که از ترکیبات مولکولی بلندی متشکل از هزاران اتم ساخته شده‌اند، پلیمری که ما توسعه دادیم از مولکولهای کوچک‌تری تشکیل شده است که همگی با استفاده از یونهای فلزات در کنار هم به صورت زنجیروار جمع شده‌اند. اگر این ماده در معرض نور ماوراء بنفش شدیدی قرار گیرد این ساختارها به طور موقت از هم جدا می‌شوند و یک حالت مایع را به وجود می‌آورند و زمانی که لامپ ماوراء بنفش خاموش می‌شود به شرایط اولیه بازمی‌گردد. ما این ماده را با خراش‌های شدید آزمایش کردیم و به دفعات دیدیم که توانست تغییر کند و هیچ نشانه‌ای از خراشیدگی را باقی نگذارد.»
مادهای با درجه سختی متغیر
پایگاه دیگر تولید مواد هوشمند در آلمان و در دانشگاه فنی هامبورگ قرار دارد. در این دانشگاه، گروهی به سرپرستی «یورگ مولر» با همکاری دانشمندان موسسه تحقیقات مواد چین در شانگ‌های مادهای را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند از حالت سفت و شکننده به حالت نرم و انعطاف پذیر تغییر کند.
«پورگ مولر» در توصیف عملکرد این ماده اظهار داشت: «برپایه کشف ما دو عنصر وجود دارند که شامل یک فلز با ارزش با ساختار به شدت متخلخل و یک محلول نمکی است که می‌توانند جریان برق را انتقال دهند.»
به این ترتیب، کافی است که از پالس الکتریکی و درجه سختی فلزی که می‌تواند با تغییر نیروی میدان پیوندهای خود کنترل شود استفاده کرد. راز موفقیت این ماده در نانوساختار متخلخل فلز ما نهفته است و محلول نمکی تنها برای هدایت جریان برق به کار می‌رود.
گزارش خطا
ارسال به دوستان
نسخه چاپی
ذخیره عضویت در خبرنامه 
پربحث ترین عناوین
پرطرفدار ترین عناوین
لینک های مفید