ساخت ماده سبک و قوی با ترکیب DNA و شیشه !

تقاضای زیادی برای مواد قوی و در عین حال سبک وزن در صنایع مختلف، از جمله بخش‌های دفاعی، تجهیزات پزشکی، و خودروسازی وجود دارد.

به گزارش تکناک، دانشمندان مواد به منظور پاسخگویی به این تقاضای فزاینده و افزایش پیشرفت های تکنولوژیکی، احتمالات ترکیبات غیرمتعارف را بررسی کرده اند.

اکنون، دانشمندان با ترکیب DNA و شیشه، ماده خارق‌العاده‌ای را مهندسی کرده‌اند.

دانشگاه کلمبیا، دانشگاه کانکتیکات و آزمایشگاه ملی بروکهیون راه را برای ایجاد این ماده بسیار سبک وزن و با استحکام بالا رهبری کردند.

این تیم توانست شکل خالصی از شیشه بسازد و بخش های ویژه ای از DNA را بپوشاند تا ماده سبک وزنی بسازد که از استحکام فولاد فراتر رود.

ایجاد مواد محکم و سبک

محققان عناصر منحصر به فرد DNA را به منظور ساخت ساختارهای نانومقیاس مطالعه کرده اند. ساختن یک ساختار از DNA و سپس پوشاندن آن با شیشه ممکن است پتانسیل تولید یک ماده قوی با ماندگاری بالا را داشته باشد.

این دستاورد به این دلیل است که DNA از ماده ای به نام پلیمر تشکیل شده است که دسته ای از مواد بادوام و انعطاف پذیر مانند پلاستیک و لاستیک است.

آرون مایکلسون، محقق فوق دکتری بروکهیون، در یک انتشار رسمی توضیح داد: ما بر روی استفاده از DNA به عنوان یک نانو ماده قابل برنامه ریزی برای تشکیل یک داربست پیچیده سه بعدی تمرکز کردیم. ما می‌خواستیم بررسی کنیم که چگونه این داربست وقتی به مواد جامد پایدارتر منتقل می‌شود، عملکرد مکانیکی خواهد داشت. ما ویژگی ها و پتانسیل این ماده خودآرا که در سیلیس (ترکیب اصلی شیشه) ریخته گری می شود را بررسی کردیم.

با توجه به چالش مهم تولید قطعات شیشه ای بزرگ و بی عیب، محققان با استفاده از قطعات در مقیاس نانو شروع به کار کردند.

برای انجام این کار، محققان یک پوشش بسیار نازک از شیشه سیلیکا را روی داربست‌های DNA اعمال کردند که ضخامت آن حدود 5 نانومتر بود.

این فرآیند فضاهای داخلی را باز نگه داشت و در نتیجه یک ماده فوق‌العاده سبک وزن ساخته شد.

در این مقیاس کوچک، شیشه یکپارچگی خود را بدون تسلیم شدن در برابر عیب یا نقص حفظ می‌کند و سطحی از استحکام را ارائه می‌کند که معمولاً در قطعات شیشه‌ای بزرگ‌تر که مستعد ایجاد ترک و شکستگی هستند مشاهده نمی‌شود.

استحکام این ماده کوچک با استفاده از تجهیزات پیشرفته اندازه گیری شد.

مایکلسون توضیح داد: برای اندازه‌گیری استحکام این ساختارهای کوچک، ما از تکنیکی به نام نانو دندانه (nanoindentation) استفاده کردیم. نانو دندانه یک آزمایش مکانیکی در مقیاس بسیار کوچک است که با استفاده از ابزار دقیقی انجام می شود که می تواند نیروهای مقاومتی را اعمال و اندازه گیری کند. ضخامت نمونه‌های ما فقط چند میکرون است، یعنی حدود یک هزارم میلی‌متر، بنابراین اندازه‌گیری این مواد با روش‌های معمولی غیرممکن است. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و نانو دندانه با هم، می‌توانیم به طور همزمان رفتار مکانیکی را اندازه‌گیری کنیم و فرآیند فشرده‌سازی را مشاهده کنیم.

در طول آزمایش، شبکه DNA که با شیشه پوشانده شده بود، استحکام خارق‌العاده‌ای را نشان داد و چهار برابر از فولاد بهتر عمل کرد. با کمال تعجب، چگالی مواد جدید تقریباً پنج برابر کمتر بود.

دانشمندان بیان می کنند که دستیابی به این سطح از استحکام و چگالی کم یک دستاورد بزرگ است.

نتایج تحقیق در مجله Cell Reports Physical Science منتشر شد.