گره‌هایی ظریف‌تر از مو برای ساخت موادی سخت و محکم

پریسا عباسی– در جدیدترین پیشرفت‌هایی که در زمینه مواد نانو و میکرومعماری به دست آمده، مهندسان در Caltech(موسسه فناوری کالیفرنیا) ماده جدیدی ساخته‌اند که از گره‌های متعدد در مقیاس میکرو ساخته شده است.

موادی که از این گره‌ها ساخته میشوند به مراتب سخت‌تر از موادی با ساختار مشابه، اما بدون گره هستند: آنها انرژی بیشتری جذب می‌کنند و دارای انعطاف بیشتری هستند. این مواد گره‌دار جدید، به دلیل دوام بالا، زیست‌سازگاری احتمالی، و قابلیت شکل‌پذیری زیاد، می‌توانند در علوم زیست پزشکی و کاربردهای هوافضا استفاده شوند.

ویدیانتو پی.موستوپو، فارغ‌التحصیل سابق Caltech که اکنون در آزمایشگاه ملی «لارنس لیورمور» کار می‌کند، می‌گوید: «قابلیت حفظ تعادل عمومی ماده، یعنی حالتی بین تغییرپذیری در هنگام شکل دادن به مواد، و قابلیت انبساط و کشش آنها بدون شکسته شدن، راه‌های جدیدی برای طراحی ابزاری ارائه می‌دهند که بسیار انعطاف‌پذیر و بادوام هستند و می‌توانند در شرایط سخت دوام بیاورند». موستوپو نویسنده اصلی مقاله‌ای در مورد گره‌هایی با مقیاس نانو است که در ۸ مارس در نشریه ساینس ادونسز منتشر شده است.

موستوپو در آزمایشگاه جولیا آر. گریر، با کمک و همراهی «روبن اف» و «دونا متلر»، اساتید علوم مواد، مکانیک و مهندسی پزشکی، به توسعه و تولید این مواد پرداخت. آزمایشگاه گریر، پیشتاز تولید چنین موادی با ساختار نانو، و یا موادی که ساختار آنها در مقیاس نانومتری طراحی و سازماندهی شده‌اند، می‌باشد. این مواد، اغلب خواص غیرعادی و شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند.

گریر می‌گوید:«درک چگونگی تاثیر گره‌ها بر پاسخ مکانیکی مواد ریزمعماری یک ایده کاملا جدید بود. ما تحقیقات گسترده‌ زیادی انجام داده بودیم و در مورد تغییر شکل مکانیکی بسیاری از انواع دیگر ریز منسوجات، نظیر مواد توری شکل، مطالعه کرده بودیم. ورود به دنیای گره‌ها به ما این امکان را داد تا بینش عمیق‌تری در مورد نقش اصطکاک و اتلاف انرژی به دست آوریم. و به ما ثابت شد که این امری معنادار است.”

ارتفاع و عرض هر گره حدود ۷۰ میکرومتر و شعاع هر تار آن در حدود ۱.۷ میکرومتر (حدود یک صدم شعاع تار موی انسان) است. اگرچه اینها کوچکترین گره‌هایی نیستند که تا به حال ساخته شده‌اند (شیمیدانان در سال ۲۰۱۷ توانستند یک رشته اتم جداگانه را گره بزنند)، اما این اولین بار است که ماده ای متشکل از گره‌های متعدد در این مقیاس ساخته شده است. این کار ارزش بالقوه گنجاندن این گره‌ها در مقیاس نانو، در یک ماده را نشان می‌دهد و می‌تواند برای کارهایی نظیر بخیه زدن و یا اتصالات در بیوپزشکی کاربردی باشد.

این مواد گره‌دار که از پلیمرها ایجاد شده‌اند قابلیت بالای انبساط و کشسانی بدون شکسته شدن را دارند و این قابلیت به آنها، اجازه می‌دهد تا از مواد بدون گره‌ای که از نظر ساختار با آنها یکسان هستند، و از رشته‌های جداگانه در هم تنیده شده تشکیل شده‌اند، پیشی بگیرند. وقتی این نمونه‌های گره‌دار را با نمونه‌های بدون گره‌ مشابه‌شان مقایسه می‌کنیم، می‌بینیم که آنها ۹۲ درصد انرژی بیشتری جذب می‌کنند و دو برابر نیرو لازم است تا آنها پاره شوند.

این گره‌ها بسته نشده‌اند، بلکه با استفاده از لیتوگرافی سه بعدی پیشرفته، با وضوح بالا که قادر به تولید ساختارهایی در مقیاس نانو هستند، به حالت گره‌خورده «ساخته» شده‌اند. نمونه‌هایی که در Science Advancespaper آورده شده، شامل گره‌های ساده‌ای هستند: یک گره یک طرفه با یک پیچش اضافی که اصطکاک بیشتری را برای جذب انرژی اضافی در هنگام کشیده شدن مواد تولید می‌کند. این تیم قصد دارد تا در آینده، موادی بسازد که از گره‌های پیچیده‌تری ساخته شده‌ باشد.

موستوپو در طول قرنطینه‌ کووید ۱۹، در سال ۲۰۲۰ تحقیقاتی بر روی گره‌ها انجام داد و به آنها علاقمند شد.

او می‌گوید:«من به آثار محققانی برخوردم که در حال مطالعه مکانیک گره‌های فیزیکی در مقایسه با گره‌هایی بودند که صرفا معنای ریاضی داشتند. من خودم را کوهنورد، ملوان یا ریاضیدان نمی‌دانم، اما در طول زندگی چیزهای زیادی را گره زده‌ام! بنابراین فکر کردم وارد کردن گره‌ها در طرح‌هایم، می‌تواند کاری با ارزش باشد.»

این مقاله عنوانی ساده دارد:«گره‌ها بی‌ارزش نیستند: بلکه دارای طراحی، ویژگی‌های خاص و توپولوژی مواد ریزمعماری در هم تنیده شده و اصولی هستند.»

منبع:phys

۵۸۵۸