قوی‌ترین ماده زرهی ساخته شد
یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن اولین ماده دوبعدی مکانیکی در هم‌تنیده با انعطاف و استحکام بالا را توسعه داده‌اند.
در بیانیه مطبوعاتی آنها آمده است که این ماده زرهی در آینده می‌تواند برای توسعه زره‌های سبک وزن و در عین حال با کارایی بالا و سایر مواد سخت دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
در دهه ۱۹۸۰ بود که فریزر استودارت (Fraser Stoddart) شیمیدان دانشگاه نورث‌وسترن، برای اولین بار مفهوم پیوند‌های مکانیکی را معرفی کرد. استودارت سپس نقش این پیوند‌ها را در ماشین‌های مولکولی با فعال کردن عملکرد‌هایی مانند سوئیچینگ، چرخش، انقباض و انبساط به روش‌های مختلف و استفاده از آنها برای توسعه ساختار‌های به هم پیوسته گسترش داد که جایزه نوبل را نیز در سال ۲۰۱۶ برای او به ارمغان آورد.
محققان دهه‌هاست که روی توسعه مولکول‌های درهم‌تنیده مکانیکی با پلیمر‌ها کار می‌کنند، اما شکست خورده‌اند. در شیمی آلی، تشکیل حلقه‌های به اصطلاح «حلقه‌های متوسط» که ۵ تا ۸ اتم در اطراف آنها قرار دارند، بسیار ساده است. ویلیام دیچتل (William Dichtel)، استاد شیمی در دانشگاه نورث‌وسترن توضیح می‌دهد که چنین حلقه‌هایی برای عبور مولکول دیگری از آن بسیار کوچک هستند.
دیچتل افزود: در مقاله ما، حلقه‌های جدیدی در هر واحد تکراری ساختار دوبعدی تشکیل شده‌اند که ۴۰ اتم در اطراف هستند. این با استفاده از یک رویکرد نوآورانه و جدید به دست آمد که حتی فرضیات در مورد چگونگی واکنش مولکول‌ها را زیر سوال می‌برد.
یک روند بدیع
مدیسون باردو (Madison Bardot)، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه دیچتل، فرآیند جدیدی را با استفاده از مونومر‌های X شکل به عنوان بلوک‌های سازنده و مرتب کردن آنها در ساختار‌های کریستالی بسیار منظم ایجاد کرد. سپس از مولکول دیگری برای ایجاد پیوند بین مولکول‌های کریستال استفاده کردند.
ماده حاصل از لایه‌هایی از ورق‌های پلیمری دوبعدی تشکیل شده است که در آنها انتهای مونومر‌های X شکل با انتهای دیگر مونومر‌های X شکل در هم قفل شده‌اند و مونومر‌های بیشتری از طریق شکاف‌های بین آنها رِزوه می‌شوند. این ماده روی هم از ۱۰۰ تریلیون پیوند مکانیکی در هر سانتی‌متر مربع تشکیل شده است که بالاترین چگالی است که تاکنون به دست آمده است.
جالب توجه است که این تیم همچنین دریافت که حل کردن پلیمر در محلول به مونومر‌های در هم قفل شده اجازه می‌دهد تا از یکدیگر جدا شوند و امکان دستکاری ورقه‌های جداگانه را فراهم می‌کند.
دیچتل توضیح داد: بسیاری از مواد بسیار کریستالی، شکننده هستند، اما پلیمر ما ساختار منظمی دارد که در عین حال بسیار انعطاف‌پذیر است، زیرا هر پیوند مکانیکی فضای کمی برای حرکت دارد.
وی افزود: زمانی که نیروی سبکی به پلیمر وارد می‌شود، بسیار انعطاف‌پذیر است، اما اگر نیروی بیشتری اعمال شود، مواد سفت‌تر می‌شوند، زیرا پیوند‌های مکانیکی به صورت موضعی تا حد خود کشیده می‌شوند. این خاصیت «سخت شدن کرنش» نامیده می‌شود و برای مواد انعطاف‌پذیر و از نظر مکانیکی سخت بسیار مورد توجه است. فراتر از خواص مکانیکی، معماری پلیمر دارای خواص جالبی است که می‌توان آن را برای کاربرد‌های جدید بررسی کرد.
قدرت فزاینده
همکاران دیچتل در دانشگاه دوک، این پلیمر جدید را به فیبری از خانواده کِولار موسوم به Ultem اضافه کردند که می‌تواند در برابر دما‌های شدید و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی مقاومت کند.
استفاده از تنها ۲.۵ درصد از این پلیمر در آن به طور چشمگیری استحکام آن را افزایش داد که می‌تواند برای ساخت زره‌پوش استفاده شود؛ در حالی که پلیمر‌های حاوی پیوند‌های مکانیکی قبلاً در مقیاس کوچک سنتز شده بودند، این رویکرد به این تیم کمک کرد تا به راحتی تقریباً یک پوند (نیم کیلوگرم) از این مواد را بسازند. این همچنین نشان می‌دهد که این رویکرد بسیار مقیاس‌پذیر است.
دیچتل می‌گوید: شاید چالش برانگیزترین جنبه این بود که به خودمان ثابت کنیم که ما واقعاً ساختار در هم‌تنیده مکانیکی پیشنهادی را داریم. به تیمی از تخصص‌های مختلف شامل شیمیدانان، میکروسکوپ‌های الکترونی و مهندسان پلیمر نیاز بود تا بفهمند چگونه این مواد را بسازیم و سپس چگونه عمل کنیم.
یافته‌های این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.
