این ماده جدید یک پلیمر دوبعدی است که از ملامین ساخته شده و برخلاف سایر پلیمرها که زنجیرههای یکبعدی و اسپاگتیمانند تشکیل میدهند، خودبهخود به صورت ورقهایی مونتاژ میشود. تاکنون دانشمندان معتقد بودند که القای پلیمرها برای تشکیل ورقهای دوبعدی غیرممکن است.
مایکل استرانو، استاد مهندسی شیمی دانشگاه MIT و نویسنده ارشد این مطالعه جدید میگوید: چنین مادهای میتواند به عنوان یک پوشش سبک و بادوام برای قطعات خودرو یا تلفنهای همراه یا به عنوان مصالح ساختمانی برای پلها یا سایر سازهها استفاده شود.
او میگوید: «ما معمولاً پلاستیکها را به عنوان چیزی که بتوان از آن برای پشتیبانی از یک ساختمان استفاده کرد، در نظر نمیگیریم، اما با این ماده، میتوانید چیزهای جدیدی را ممکن کنید. این ماده خواص بسیار غیرمعمولی دارد و ما از این بابت بسیار هیجانزدهایم.»
محققان دو اختراع برای فرآیندی که برای تولید این ماده استفاده کردهاند، ثبت کردهاند که در مقالهای که امروز در مجله Nature منتشر شده است، شرح میدهند . یوون زنگ، دانشجوی فوق دکترای MIT، نویسنده اصلی این مطالعه است.
دو بعدی
پلیمرها، که شامل همه پلاستیکها میشوند، از زنجیرههایی از بلوکهای سازنده به نام مونومر تشکیل شدهاند. این زنجیرهها با اضافه شدن مولکولهای جدید به انتهای خود رشد میکنند. پس از تشکیل، پلیمرها را میتوان با استفاده از قالبگیری تزریقی به اشیاء سهبعدی مانند بطریهای آب تبدیل کرد.
دانشمندان پلیمر مدتهاست این فرضیه را مطرح کردهاند که اگر بتوان پلیمرها را وادار به رشد به صورت یک ورق دوبعدی کرد، باید موادی بسیار قوی و سبک تشکیل دهند. با این حال، دههها کار در این زمینه به این نتیجه منجر شد که ایجاد چنین ورقهایی غیرممکن است. یکی از دلایل این امر این بود که اگر فقط یک مونومر به بالا یا پایین بچرخد، از صفحه ورق در حال رشد، ماده شروع به انبساط در سه بعد میکند و ساختار ورق مانند آن از بین میرود.
با این حال، در مطالعه جدید، استرانو و همکارانش فرآیند پلیمریزاسیون جدیدی را ارائه دادند که به آنها امکان تولید یک ورق دو بعدی به نام پلیآرامید را میدهد. برای بلوکهای سازنده مونومر، آنها از ترکیبی به نام ملامین استفاده میکنند که حاوی حلقهای از اتمهای کربن و نیتروژن است. در شرایط مناسب، این مونومرها میتوانند در دو بعد رشد کرده و دیسکهایی را تشکیل دهند. این دیسکها روی یکدیگر قرار میگیرند و توسط پیوندهای هیدروژنی بین لایهها در کنار هم نگه داشته میشوند که ساختار را بسیار پایدار و قوی میکند.
استرانو میگوید: «به جای ساختن یک مولکول اسپاگتیمانند، میتوانیم یک صفحه مولکولی ورقمانند بسازیم که در آن مولکولها در دو بعد به هم متصل میشوند. این مکانیسم به طور خودبهخودی در محلول اتفاق میافتد و پس از سنتز ماده، میتوانیم به راحتی فیلمهای نازکی را که فوقالعاده قوی هستند، با روش پوششدهی چرخشی بسازیم.»
از آنجا که این ماده در محلول خودآرایی میکند، میتوان آن را با افزایش مقدار مواد اولیه، در مقادیر زیاد تولید کرد. محققان نشان دادند که میتوانند سطوح را با لایههایی از این ماده که آن را 2DPA-1 مینامند، بپوشانند.
استرانو میگوید: «با این پیشرفت، ما مولکولهای مسطحی داریم که تبدیل آنها به یک ماده بسیار قوی اما بسیار نازک بسیار آسانتر خواهد بود.»
سبک اما قوی
محققان دریافتند که مدول الاستیک ماده جدید - معیاری برای اندازهگیری میزان نیروی لازم برای تغییر شکل یک ماده - بین چهار تا شش برابر بیشتر از شیشه ضد گلوله است. آنها همچنین دریافتند که استحکام تسلیم آن، یا میزان نیرویی که برای شکستن ماده لازم است، دو برابر فولاد است، حتی با اینکه چگالی این ماده تنها حدود یک ششم چگالی فولاد است.
یکی دیگر از ویژگیهای کلیدی 2DPA-1 این است که در برابر گازها نفوذناپذیر است. در حالی که سایر پلیمرها از زنجیرههای مارپیچی با شکافهایی ساخته میشوند که به گازها اجازه نفوذ میدهند، این ماده جدید از مونومرهایی ساخته شده است که مانند لگوها به هم قفل میشوند و مولکولها نمیتوانند بین آنها قرار بگیرند.
استرانو میگوید: «این میتواند به ما امکان ایجاد پوششهای فوق نازکی را بدهد که میتوانند به طور کامل از عبور آب یا گازها جلوگیری کنند. این نوع پوشش محافظ میتواند برای محافظت از فلز در خودروها و سایر وسایل نقلیه یا سازههای فولادی استفاده شود.»
استرانو و دانشجویانش اکنون با جزئیات بیشتری در حال مطالعه چگونگی تشکیل صفحات دوبعدی توسط این پلیمر خاص هستند و در حال آزمایش تغییر آرایش مولکولی آن برای ایجاد انواع دیگری از مواد جدید هستند.
این تحقیق توسط مرکز انتقال نانوسیال پیشرفته (CENT)، یک مرکز تحقیقات انرژی پیشرو که توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده و آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش حمایت مالی میشود، تأمین مالی شده است.
تماس با خبر:
ایمیل [ایمیل محافظت شده]
تلفن: + 86-28-8411-1861