ابداع ماده‌ای رسانا که هرچه به آن ضربه بزنید، سفت‌تر می‌شود

به لطف تحقیقات جدید انجام‌شده از سوی تیمی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا مرسد، پوشیدنی‌ها و حسگرهای الکترونیکی می‌توانند روزی از ماده‌ای شوند که براثر ضربه یا کشیدن، سفت می‌شود. این قابلیت که با نام «دوام تطبیقی» شناخته می‌شود از دیدگاه علم مواد ویژگی بسیار مهمی به‌شمار می‌رود. دوام تطبیقی به‌معنای محافظت دربرابر آسیب و فشار حتی در محیط‌های سخت است.

ماده‌ی جدید درواقع از نشاسته‌ی ذرت مورد استفاده‌ در پخت‌وپز الهام گرفته شده که با اضافه‌کردن آب می‌توان آن را درهم‌آمیخته کرد. مخلوط نشاسته‌ی ذرت، برخلاف ماسه‌ی مرطوب که چه درحالت مخلوط و چه در حالت تحت فشار، گران‌روی (ویسکوزیته) ثابتی دارد، وقتی به آرامی هم زده می‌شود، مانند مایع عمل می‌کند و هنگامی که تحت ضربه قرار می‌گیرد، عملکردی مانند ماده‌ی جامد دارد.

وقتی نشاسته‌ی ذرت را به‌آرامی ورز می‌دهید، ذرات ریز آن یکدیگر را دفع می‌کنند و باعث می‌شوند که مانند نوعی مایع عمل کند؛ اما اگر به‌سرعت به آن ضربه بزنید، تماس ذرات موجود باعث ایجاد اصطکاک بین آن‌ها و بروز عملکردی مانند نوعی ماده‌ی جامد می‌شود. این تفاوت در رفتار به‌‌دلیل اندازه‌ی ذرات موجود در نشاسته‌ی ذرت اتفاق می‌افتد.

محققان می‌خواستند دریابند که آیا می‌توانند همان نتایج را از نوعی ماده‌ی پلیمری نیز به‌دست آورند یا خیر. تیم تحقیقاتی برای رسیدن به این هدف، کار خود را با پلیمرهای مزدوج شروع کرد. این نوع پلیمرها با خواص ویژه‌ای که دارند، به مواد کمک می‌کنند تا ضمن هدایت جریان الکتریسیته، نسبتا نرم و انعطاف‌پذیر باقی بمانند. این مواد را می‌توان از انواع ترکیبات مولکول‌ها تهیه کرد.

پژوهشگران در مطالعه‌ی خود، مولکول‌های بلند پلی (۲-اکریل‌آمیدو-۲-متیل‌پروپان سولفونیک اسید)، مولکول‌های کوتاه پلی‌آنیلین و نوعی رسانای بسیار کارآمد (۳، ۴- اتیلن دی اکسی تیوفن) پلی‌استایرن سولفونات (PEDOT:PSS) را با یکدیگر ترکیب کردند. اگر با این نام‌ها آشنا نیستید نگران نباشید؛ تنها چیزی که باید بدانید این است که این ترکیب به تولید لایه‌ی نازکی منجر شد که براثر ضربه‌های سریع تغییر شکل می‌دهد یا کشیده می‌شود.

به‌گفته‌ی محققان، انتخاب دو پلیمر با بار مثبت و دو پلیمر با بار منفی، ماده‌ای با ساختارهای بسیار کوچک مانند کوفته‌های مینیاتوری در کاسه‌ای مخلوط از اسپاگتی ایجاد می‌کند. این کوفته‌ها بدون اینکه کاملا ازهم جدا شوند، علاوه‌بر جذب شوک ناشی از ضربه‌ها، ماده و رسانایی آن را حفظ می‌کنند.

آزمایش‌های بیشتر حاکی از آن است که افزودن نانوذرات ۱،۳-دی‌آمینوپروپان علاوه‌بر اینکه چقرمگی را افزایش می‌دهد، کوفته‌های ریز را نیز کمی ضعیف‌تر می‌کند؛ بنابراین این ماده درحالی‌که رشته‌های اسپاگتی اطراف کوفته‌ها تقویت می‌کند، می‌تواند ضربات بزرگتری را دریافت کند و یکپارچگی آن حفظ شود.

توضیحات داده‌شده پیچیده و فنی هستند؛ اما اگر بتوان ماده‌ی جدید را در مقیاس بالا تولید کرد کاربردهایی در خارج از آزمایشگاه نیز برای آن وجود خواهد داشت. نوارهای ساعت‌های هوشمند، حس‌گرهای پوشیدنی و مانیتورهای سلامت که برای سنجش سلامت قلب و عروق یا سطح گلوکز مورد استفاده قرار می‌گیرند، همگی نمونه‌هایی از کاربردهایی هستند که توسط تیم تحقیقاتی ارائه شده‌اند.

پروتزهای الکترونیکی شخصی‌سازی‌شده یکی دیگر از موارد استفاده‌ی بالقوه و نمونه‌هایی هستند که محققان پیش از این آن‌ها را آزمایش کرده‌اند. درنهایت بااستفاده از این ماده‌ی همه‌کاره می‌توان پرینت سه‌بعدی اندام‌های مصنوعی را تهیه کرد. معرفی ماده‌ی جدید یادآوری دیگری از پتانسیل کشف مواد جدید و پالایش مواد موجود است و نشان می‌دهد که چنین موادی چگونه می‌توانند آینده‌ی ما را از دستگاه‌هایی که استفاده می‌کنیم تا لباس‌هایی که می‌پوشیم، تغییر دهند.

یو وانگ، دانشمند مواد می‌گوید: «شماری از کاربردهای بالقوه وجود دارند و ما هیجان‌زده هستیم تا ببینیم که این ویژگی جدید و نامتعارف ما را به کجا خواهد برد.»

یافته‌های پژوهش در نشست بهار ۲۰۲۴ انجمن شیمی آمریکا ارائه شده است.