اعتبار تصویر: لیهنگ کای، بایکوانگ هوانگ / آزمایشگاه Soft Biomatter، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا.
محققان دانشگاه ویرجینیا (UVa) موفق به ساخت پلیمر جدیدی شده‌اند که توانایی‌های چشمگیرش در سختی و کشش، محدودیت‌های سنتی را کنار زده و مسیر تازه‌ای برای کاربردهای فناوری و پزشکی باز کرده است.
این طراحی پیشگامانه، توسط دانشمندان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا ارائه شده و باور دیرینه‌ای را که می‌گفت پلیمرهای سخت‌تر باید انعطاف‌پذیری کمتری داشته باشند، تغییر داده است.
لیهنگ کای، استادیار علوم و مهندسی مواد و مهندسی شیمی، توضیح داد: «ما در حال حل چالشی بنیادی هستیم که از زمان اختراع لاستیک ولکانیزه در سال ۱۸۳۹ غیرممکن تصور می‌شد.»
در آن زمان، چارلز گودیر به‌طور تصادفی کشف کرد که با گرم کردن لاستیک طبیعی همراه با گوگرد، پیوندهای شیمیایی بین مولکول‌های لاستیکی به شکل زنجیره‌ای ایجاد می‌شود. این فرآیند که به آن اتصال عرضی (cross-linking) می‌گویند، لاستیک چسبناک و ذوب‌شونده در گرما را به ماده‌ای بادوام و الاستیک تبدیل کرد.
از آن زمان، تصور می‌شد که برای سخت‌تر کردن مواد پلیمری شبکه‌ای، باید تا حدی از قابلیت کشش آنها کاست.
اکنون تیم کای، به رهبری دانشجوی دکتری، بایکوانگ هوانگ، این باور را با پلیمرهای جدیدی به نام «شبکه‌های پلیمری بطری‌برسی تاشو» کنار زده است. نتایج این تحقیق، که با حمایت مالی جایزه CAREER بنیاد ملی علوم به کای انجام شد، روی جلد شماره ۲۷ نوامبر مجله Science Advances منتشر شده است.
CAREER (Faculty Early Career Development Program): برنامه‌ای از سوی بنیاد ملی علوم ایالات متحده که به حمایت از محققان جوان با پتانسیل بالا در مسیر پژوهش‌های پیشگامانه می‌پردازد.
آزمایش “کشش” نشان می‌دهد که یک شبکه پلیمری معمولی با چه سرعتی تحت تنش از هم جدا می‌شود.
اعتبار تصویر: لیهنگ کای، بایکوانگ هوانگ / آزمایشگاه Softbiomatter، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا.
جداسازی سختی و کشسانی
بایکوانگ هوانگ، نویسنده اصلی این مقاله، در کنار پژوهشگران فوق دکتری شیفنگ نیان و کای، گفت: «این محدودیت توسعه مواد را که همزمان نیاز به کشسانی و سختی دارند، متوقف کرده و مهندسان را مجبور به انتخاب یکی از این ویژگی‌ها به بهای دیگری کرده است. تصور کنید، مثلاً، یک ایمپلنت قلب که با هر ضربان قلب خم و کشیده می‌شود، اما همچنان سال‌ها دوام می‌آورد.»
پلیمرهای دارای اتصال عرضی در بسیاری از محصولاتی که استفاده می‌کنیم، مانند لاستیک خودروها و لوازم خانگی، یافت می‌شوند و به‌طور فزاینده‌ای در مواد زیستی و دستگاه‌های مراقبت بهداشتی به کار می‌روند.
تیمی که این ماده را توسعه داده، کاربردهایی از جمله پروتزها، ایمپلنت‌های پزشکی، الکترونیک پوشیدنی پیشرفته و “عضلات” سیستم‌های رباتیک نرم که نیاز به خم شدن، انعطاف و کشش مکرر دارند، تصور می‌کنند.
سختی و قابلیت گسترش (میزان کشش یا گسترش مواد بدون شکستگی) به هم مرتبط هستند، زیرا هر دو از یک منبع اصلی منشأ می‌گیرند: زنجیره‌های پلیمری متصل‌شده با پیوندهای عرضی. روش سنتی برای سخت‌تر کردن یک شبکه پلیمری، افزودن پیوندهای عرضی بیشتر است.
این روش ماده را سخت‌تر می‌کند، اما مشکل تعارض بین سختی و کشسانی را حل نمی‌کند. شبکه‌های پلیمری با پیوندهای عرضی بیشتر سخت‌تر هستند، اما آزادی کمتری برای تغییر شکل دارند و هنگام کشش به‌راحتی شکسته می‌شوند.
کای توضیح داد: «تیم ما متوجه شد که با طراحی پلیمرهای بطری‌برسی تاشو که می‌توانند طول اضافی را در ساختار خود ذخیره کنند، می‌توانیم سختی و کشسانی را از هم جدا کنیم – به عبارت دیگر، کشسانی را بدون قربانی کردن سختی در مواد ایجاد کنیم. رویکرد ما متفاوت است، زیرا بر طراحی مولکولی زنجیره‌های شبکه تمرکز دارد، نه بر پیوندهای عرضی.»
اتصال عرضی (Crosslinking): فرآیندی شیمیایی که در آن زنجیره‌های پلیمری به هم متصل می‌شوند و یک شبکه سه‌بعدی ایجاد می‌کنند که باعث بهبود ویژگی‌هایی مانند سختی و دوام مواد می‌شود.
یک ماده پلیمری ساخته‌شده با استفاده از «شبکه‌های پلیمری بطری‌برسی تاشو» آزمایشگاه کای می‌تواند تا ۴۰ برابر بیشتر از مواد پلیمری معمولی با اتصال عرضی کشیده شود.
اعتبار تصویر: لیهنگ کای، بایکوانگ هوانگ / آزمایشگاه Softbiomatter، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا.
چگونه طراحی تاشو کار می‌کند
به‌جای استفاده از زنجیره‌های پلیمری خطی، ساختار کای شبیه به یک برس بطری است — زنجیره‌های جانبی انعطاف‌پذیر بسیاری که از یک ساختار اصلی مرکزی بیرون می‌آیند.
نکته مهم این است که ساختار اصلی می‌تواند مانند یک آکاردئون جمع و باز شود، به طوری که با کشیدن ماده، طول پنهان داخل پلیمر باز شده و اجازه می‌دهد تا تا ۴۰ برابر بیشتر از پلیمرهای استاندارد کشیده شود، بدون اینکه ضعیف شود.
در همین حال، زنجیره‌های جانبی سختی را تعیین می‌کنند، به این معنا که سختی و کشسانی اکنون می‌توانند به‌طور مستقل کنترل شوند.
این یک استراتژی «یونیورسال» برای شبکه‌های پلیمری است، زیرا اجزای تشکیل‌دهنده ساختار پلیمر بطری‌برسی تاشو محدود به انواع شیمیایی خاصی نیستند.
اعتبار تصویر: مت کاسنر، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا.
برای مثال، یکی از طراحی‌های این تیم از پلیمرهایی برای زنجیره‌های جانبی استفاده می‌کند که حتی در دماهای سرد نیز انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند. با این حال، استفاده از یک پلیمر مصنوعی دیگر که معمولاً در مهندسی مواد زیستی به کار می‌رود، می‌تواند یک ژل تولید کند که قابلیت تقلید از بافت‌های زنده را دارد.
همچنین، بسیاری از مواد نوآورانه‌ای که در آزمایشگاه کای توسعه داده شده‌اند، از جمله پلیمر بطری‌برسی تاشو، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قابلیت چاپ سه‌بعدی داشته باشند. این قابلیت حتی در شرایطی که این پلیمرها با نانوذرات معدنی ترکیب می‌شوند نیز حفظ می‌شود. این نانوذرات می‌توانند خواص پیچیده‌ای مانند ویژگی‌های الکتریکی، مغناطیسی یا نوری از خود نشان دهند.
برای مثال، افزودن نانوذرات رسانا مانند نانومیله‌های نقره یا طلا امکان‌پذیر است، که برای ساخت الکترونیک کشسان و پوشیدنی ضروری هستند.
کای توضیح داد: «این ترکیبات به ما گزینه‌های بی‌پایانی برای طراحی موادی می‌دهند که همزمان تعادل بین استحکام و کشسانی را حفظ کنند و از ویژگی‌های نانوذرات معدنی بر اساس نیازهای خاص بهره ببرند.»
نانومیله‌های نقره و طلا (Silver/Gold Nanorods): ساختارهایی نانومتری با قابلیت رسانایی بالا که در فناوری‌هایی مانند الکترونیک کشسان، حسگرها و دستگاه‌های پزشکی کاربرد دارند.
reference:
https://scitechdaily.com/engineering-the-impossible-scientists-solve-200-year-old-polymer-puzzle/
