ساخت ماده سبک وزن قوی تر از فولاد

 محققان با تغییر دقیق ساختار مولکولی پلیمرهای دوبعدی ماده سبک وزنی ساخته اند که از فولاد قوی تر است.

به گزارش تکناک، علیرغم اینکه برخی مواد دو بعدی به عنوان قوی ترین مواد روی زمین شناخته می شوند، استفاده از پتانسیل کامل آنها کار دشواری است.

مواد دوبعدی که حتی از نازک ترین ورقه های پوست پیاز نازک تر هستند، به دلیل ویژگی های مکانیکی چشمگیر خود، توجهی زیادی را به خود جلب کرده اند. با این حال، این خواص زمانی که مواد لایه لایه می شوند، از بین می روند، بنابراین کاربردهای عملی آنها محدود می شود.

تنگ لی، استاد گروه مهندسی مکانیک دانشگاه مریلند (UMD) می گوید: به یک مداد گرافیتی فکر کنید. هسته آن از گرافیت ساخته شده است و گرافیت از لایه های زیادی از گرافن تشکیل شده است که مشخص شده است که سخت ترین ماده جهان است. با این حال، یک مداد گرافیتی اصلا قوی نیست، در واقع، گرافیت حتی به عنوان روان کننده نیز استفاده می شود.

اکنون، لی و همکارانش در دانشگاه رایس و دانشگاه هیوستون، با تغییر دقیق ساختار مولکولی پلیمرهای دوبعدی معروف به چارچوب‌های آلی کووالانسی (COF)، راهی برای غلبه بر این مانع پیدا کرده‌اند. این یافته ها در یک مطالعه جدید منتشر شده و در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم به تفصیل آمده است.

جون لو، استاد علم مواد و مهندسی نانو دانشگاه رایس، که تیم تحقیق را رهبری می کرد، گفت: این یک نقطه شروع بسیار هیجان انگیز است.

محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌های سطح مولکولی، گروه‌های عملکردی مختلف، به عبارت دیگر آرایش عناصر مولکولی را مورد مطالعه قرار دادند و سپس دو COF با تفاوت‌های کوچک در ساختار طراحی کردند. آنها سپس نحوه رفتار COF ها را هنگام قرار گرفتن در لایه ها مورد مطالعه قرار دادند. مشخص شد که تفاوت‌های ساختاری کوچک منجر به نتایج متفاوت شده است.

اولین پلیمرهای دوبعدی، مانند بسیاری از مواد دو بعدی، تنها یک برهمکنش ضعیف را در بین لایه‌ها نشان داد و با اضافه شدن لایه‌های بیشتر، استحکام و کشش از بین رفت. Qiyi Fang، دانشجوی دکترای دانشگاه رایس، و یکی از نویسندگان این مقاله گفت: COF دوم برهمکنش بین لایه ای قوی را نشان می دهد و خواص مکانیکی خوب خود را حتی با اضافه شدن چندین لایه حفظ می کند.

به گفته محققان، این پدیده به احتمال زیاد به دلیل پیوند هیدروژنی است. ژنگ کیان پانگ، یکی از محققین فوق دکتری UMD و یکی از اعضای گروه حقیقاتی لی، گفت: ما از شبیه‌سازی‌های خود دریافتیم که برهم‌کنش‌های بین لایه‌ای قوی ناشی از پیوند هیدروژنی در نوع دوم پلیمرهای دوبعدی به‌طور قابل‌توجهی در میان گروه‌های عملکردی خاص آن است.

تیم تحقیقاتی با استفاده از یافته‌های خود، ماده سبک وزنی تولید کردند که نه تنها چندین برابر فولاد قوی‌تر است، بلکه خواص دو بعدی خود را حتی زمانی که در چندین لایه روی هم قرار می‌گیرد، حفظ می‌کند.

لو از داشنگاه رایس گفت: کاربردهای بالقوه بسیار است. COF ها می توانند غشاهای فیلتراسیون عالی بسازند. برای یک سیستم فیلتراسیون، ساختار گروه عملکردی در منافذ بسیار مهم خواهد بود. همانطور که مثلاً آب کثیفی دارید که از یک غشای COF عبور می کند، گروه عملکردی در منافذ فقط ناخالصی ها را جذب می کند و به مولکول مورد نظر اجازه عبور می دهد. در این فرآیند، یکپارچگی مکانیکی آن غشا بسیار مهم خواهد بود. اکنون ما راهی برای طراحی پلیمرهای دوبعدی بسیار مقاوم در برابر شکستگی داریم که می توانند نامزدهای بسیار خوبی برای کاربردهای فیلتراسیون غشایی باشند.

او گفت: یک کاربرد بالقوه دیگر آن برای ارتقای باتری‌ها است به نحوی که جایگزینی آند گرافیتی با آند سیلیکونی ظرفیت ذخیره‌سازی فناوری‌های باتری لیتیوم یون فعلی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

به گفته لی، بینش‌های حاصل از این تحقیق همچنین می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در طراحی طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله سرامیک و فلزات شود. به عنوان مثال، سرامیک ها به پیوند یونی بستگی دارند که در دمای بسیار بالا تشکیل می شود، به همین دلیل است که یک لیوان قهوه شکسته را نمی توان به راحتی تعمیر کرد. فلزات نیز به آهنگری در دماهای بالا نیاز دارند. با توجه به تغییرات مولکولی که توسط محققان بررسی می شود، محصولات مشابهی می توانند بدون افزایش حرارت تولید و تعمیر شوند.

لی گفت: اگرچه نتایج این تحقیق در مواد دوبعدی کاربرد دارد، اما به طور کلی ما راه‌هایی را برای بهره‌برداری از خواص سودمند مواد بدون محدودیت‌های که اکنون وجود دارد یافته ایم.