ساخت ماده ای جدید در MIT: قوی‌تر از فولاد و سبک‌تر از پلاستیک

مهندسان شیمی MIT با استفاده از یک فرایند پلیمریزاسیون جدید، ماده‌ای ساخته‌اند که قوی‌تر از فولاد و به‌سبکی پلاستیک است و به‌راحتی می‌توان آن را در مقادیر زیاد و به‌صورت انبوه تولید کرد.

ماده‌ی جدید یک پلیمر دوبعدی است و بر خلاف سایر پلیمرهای متداول که زنجیره‌های یک‌بعدی و اسپاگتی‌مانند را تشکیل می‌دهند، می‌تواند با اتکا به ساختار خود و به‌طور خودبه‌خودی، به بیش از یک صفحه (صفحات دو بعدی) ارتقا پیدا کند. دانشمندان تا به حال معتقد بودند که واداشتن پلیمرها از‌ طریق فرایندهای شیمیایی به تشکیل صفحات دوبعدی غیرممکن است.

چنین ماده‌ای می‌تواند به‌عنوان پوشش‌های سبک و بادوام برای بخش‌های مختلف خودروها یا گوشی‌های موبایل یا حتی به‌عنوان بخشی از مصالح مورد نیاز برای ساخت پل‌ها و سازه‌های ساختمانی به‌کار رود.

مایکل استرانو، پروفسور مهندسی شیمی که نویسنده‌ی اصلی پژوهش اخیر نیز بوده، می‌گوید:

ما معمولاً پلاستیک را به‌عنوان ماده‌ای تصور نمی‌کنیم که بتوان از آن به‌عنوان مصالح ساختمانی استفاده کرد. اما با این مواد، می‌توانیم قابلیت‌های جدیدی را فعال کنیم. ماده‌ی ساخته‌شده خواص بسیار غیرمعمولی دارد و از این بابت بسیار هیجان‌زده هستیم.

پژوهشگران برای ثبت دو پتنت پیرامون فرایند پیشنهادی‌شان در تولید این ماده اقدام کرده‌اند. نتایج کار آن‌ها در ژورنال نیچر در روز دوم فوریه ی ۲۰۲۲ به انتشار رسید.

دو بعد

پلیمرها که شامل تمام پلاستیک‌ها می‌شوند، از زنجیره‌ای از بلوک‌های ساختاری به نام مونومر تشکیل شده‌اند. این زنجیره‌ها با افزودن مولکول‌های جدید به انتهای خود رشد می‌کنند. پلیمرها را می‌توان پس از تشکیل با استفاده از فرایند قالب‌گیری تزریقی به اشیای سه‌بعدی مانند بطری‌های آب تبدیل کرد.

دانشمندان فعال در عرصه‌ی پلیمر از مدت‌ها پیش این فرضیه‌ را مطرح کرده بودند که اگر بتوانیم پلیمرها را به‌نحوی وادار به تبدیل شدن به صفحات دو بعدی کنیم، نتیجه‌ی کار موادی بسیار قوی و سبک خواهد بود. بااین‌حال، چندین دهه کار در این زمینه در‌ نهایت دانشمندان را به این نتیجه رسانده بود که ایجاد چنین ورقه‌هایی غیرممکن است. یکی از دلایل رسیدن به چنین دیدگاهی این بود که اگر فقط یک مونومر به خارج از صفحه‌ی ورقه‌ی در ‌حال رشد (به‌سمت بالا یا پایین) منحرف شود، مواد شروع به انبساط به‌صورت سه‌بعدی کرده و ساختار ورقه‌مانند مد نظرمان از بین خواهد رفت.

بااین‌حال، استرانو و همکارانش در مطالعه‌ی جدید خودشان، فرایند پلیمریزاسیون جدیدی را ارائه کردند که به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا یک صفحه‌ی دوبعدی به نام پلی‌آرامید تولید کنند. آن‌ها برای بلوک‌های سازنده مونومر، از ترکیبی به‌نام ملامین استفاده می‌کنند که دارنده‌ی حلقه‌ای از اتم های کربن و نیتروژن است. این مونومرها در شرایط مناسب می‌توانند در دو بعد رشد کرده و صفحاتی را تشکیل دهند. این صفحات روی هم قرار می‌گیرند و توسط پیوندهای هیدروژنی بین لایه‌ها به هم متصل می‌شوند. پیوند هیدروژنی ساختار را بسیار پایدار و قوی می‌کند.

استرانو می‌گوید:

به‌جای ساخت یک مولکول اسپاگتی‌مانند، می‌توانیم یک صفحه‌ی مولکولی ورقه‌مانند بسازیم و در ادامه تلاش کنیم مولکول‌ها را در دو بعد به‌هم متصل می‌کنیم.

این مکانیسم به‌طور خودبه‌خود اتفاق می‌افتد و پس از سنتز مواد، می‌توانیم به‌راحتی لایه‌های نازک و فوق‌العاده قوی را تحت فرایند پوشش‌دهی دورانی قرار دهیم.

ازآنجاکه مواد در محلول به‌طور خودبه‌خودی تشکیل می‌شوند، این امکان وجود دارد که مقادیر زیادی از آن‌ها را به‌سادگی با افزایش مقدار مواد اولیه بسازیم. پژوهشگران نشان دادند که می‌توانند سطوح را با لایه‌هایی از این ماده که ۲DPA-1 نامیده می‌شود، بپوشانند.

استرانو توضیح می‌دهد:

با این پیشرفت، مولکول‌های مسطحی در‌ اختیار داریم که تبدیل آن‌ها به یک ماده‌ی بسیار قوی، و در عین حال بسیار نازک، بسیار آسان‌تر خواهد بود.

ماده‌ی جدید یک پلیمر دوبعدی است که خودبه‌خود به‌صورت صفحات تشکیل می‌شود و می‌تواند به‌عنوان یک پوشش سبک‌وزن و بادوام برای قطعات خودرو یا تلفن‌های همراه یا به‌عنوان مصالح ساختمانی برای پل‌ها و سازه‌های دیگر به کار رود.

سبک اما قوی

پژوهشگران با انجام بررسی‌های بیشتر روی ماده‌ی ساخته‌شده دریافتند که مدول الاستیک آن (معیاری از میزان نیروی لازم برای تغییر شکل یک ماده) بین چهار تا شش برابر بیشتر از مدول الاستیک شیشه‌ی ضد گلوله است. آن‌ها همچنین پی بردند که میزان نیروی لازم برای شکستن ماده‌ی جدید یا تنش تسلیم آن نیز دو برابر فولاد است. این در‌ حالی است که ماده‌ی جدید فقط یک ششم چگالی فولاد را دارد.

متیو تیرل، رئیس دانشکده‌ی مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو، از تکنیک جدید به‌عنوان «نمادی از شیمی بسیار خلاقانه‌ برای ساخت پلیمرهای دو بعدی پیوندی» یاد می‌کند.

تیرل که در این پژوهش نقشی نداشته، معتقد است:

شاخصه‌ی مهم پلیمرهای جدید این است که به‌راحتی در محلول قابل ساخت‌وپرداخت هستند. چنین قابلیتی، کاربردهای جدید متعددی را در مواردی که داشتن نسبت بالایی از استحکام به وزن مهم باشند خواهد داشت؛ از جمله ساخت مواد کامپوزیتی جدید.

یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی ۲DPA-1 نفوذناپذیری در‌ برابر گازها است. درحالی‌که سایر پلیمرها از زنجیره‌های مارپیچ با شکاف‌هایی ساخته می‌شوند که به گازها اجازه‌ی نفوذ می‌دهد، ماده‌ی جدید از مونومرهایی ساخته شده که مانند لگوها به‌هم قفل می‌شوند و مولکول‌ها نمی‌توانند بین آن‌ها قرار گیرند.

استرانو می‌گوید:

چنین خاصیتی می‌تواند امکان ایجاد پوشش‌های بسیار نازکی را فراهم کند که بتوانند به‌طور کامل از عبور آب یا گازها جلوگیری کنند. چنین پوششی می‌تواند برای محافظت فلز بدنه‌ی اتومبیل‌ها و سایر وسایل نقلیه یا سازه‌های فولادی استفاده شود.

استرانو و دانشجویانش هم‌اکنون در ‌حال بررسی جزئیات بیشتری پیرامون توانایی این پلیمر خاص برای تشکیل صفحات دوبعدی هستند. هدف آن‌ها از انجام آزمایش‌های مختلف این است که بتوانند در ادامه انواع دیگری از مواد مشابه را با ایجاد تغییر در ساختار مولکولی پلیمر فعلی بسازند.