پژوهشگران دانشگاه Caltech با ابداع یک ماده جدید متشکل از چندین گره به هم پیوسته در مقیاس نانو و میکرو، توانستند تار هایی با استحکام بسیار بالا بسازند که پیشرفتی در زمینه معماری مواد محسوب می شود.
به گزارش تکناک، وجود گره ها در این ماده جدید در مقایسه با مواد ساختاری همسان اما بدون گره به طور قابل توجهی چقرمگی آن را افزایش می دهد و آن را قادر می سازد تا انرژی بیشتری را جذب کند و قبل از بازگشت به شکل اولیه بدون هیچ آسیبی تغییر شکل دهد. این مواد گره دار جدید به دلیل دوام، زیست سازگاری احتمالی و تغییر شکل پذیری زیاد، ممکن است در زیست پزشکی و همچنین هوافضا کاربرد داشته باشند.
لارنس لیورمور فارغ التحصیل سابق Caltech و نویسنده اصلی این مطالعه که در 8 مارس در Science Advances منتشر شد، می گوید: قابلیت غلبه بر تعادل کلی بین تغییر شکل پذیری مواد و چقرمگی کششی (قابلیت کشش بدون شکستن) راه های جدیدی را برای طراحی دستگاه هایی ارائه می دهد که بسیار منعطف و بادوام هستند و می توانند در شرایط سخت کار کنند.
گریر، مدیر بنیاد فلچر جونز در موسسه علوم نانو کاولی؛ و نویسنده ارشد این مقاله می گوید: ماده جدید در خط مقدم چنین موادی با معماری نانو یا موادی هستند که ساختار آنها در مقیاس نانومتری طراحی و سازماندهی شده است و در نتیجه خواص غیرعادی و اغلب شگفت انگیزی از خود نشان می دهند.
گریر می‌گوید: شروع به درک چگونگی تأثیر گره ها بر پاسخ مکانیکی مواد ریزمعماری، ایده ای جدید بود. ما تحقیقات گسترده ای در مورد مطالعه تغییر شکل مکانیکی بسیاری از انواع دیگر ریز رشته ها، مانند شبکه ها و مواد بافته شده انجام داده بودیم. ورود به دنیای گره‌ها به ما این امکان را داد تا بینش عمیق تری در مورد نقش اصطکاک و اتلاف انرژی به دست آوریم.
ارتفاع و عرض هر گره حدود 70 میکرومتر و شعاع هر فیبر حدود 1.7 میکرومتر (حدود یک صدم شعاع موی انسان) است. اینها کوچکترین گره هایی نیستند که تا به حال ساخته شده اند. در سال 2017 شیمیدانان گره ای از یک رشته اتم، ساختند. با این حال در مطالعه اخیر برای اولین بار ماده ای متشکل از گره های متعدد در این مقیاس ساخته شده است. نتایج این مطالعه ارزش بالقوه گنجاندن این گره‌های نانومقیاس را در یک ماده نشان می دهد. به عنوان مثال، برای بخیه زدن یا اتصال در بیوپزشکی.
مواد گره‌دار که از پلیمرها ایجاد شده‌اند، چقرمگی کششی بسیار بیشتری نسبت به موادی که بدون گره با ساختار یکسان اند، از خود نشان می دهند. در مقایسه با همتایان بدون گره خود، مواد گره‌دار 92 درصد انرژی بیشتری جذب می‌کنند و به دو برابر فشار بیشتری در هنگام کشیده شدن نیاز دارند.
گره‌های مورد بحث، بسته نشدند بلکه در حالت گره‌دار با استفاده از لیتوگرافی سه بعدی پیشرفته با وضوح بالا که قادر به تولید ساختارهایی در مقیاس نانو هستند، ساخته شدند. نمونه‌هایی که در مقاله Science Advances توضیح داده شده حاوی گره‌های ساده هستند. بنابراین، یک گره با پیچش اضافی که اصطکاک بیشتری را برای جذب انرژی مازاد در هنگام کشیده شدن مواد ایجاد می‌کند ساخته شده است. در آینده، این تیم قصد دارد مواد ساخته شده از گره های پیچیده تر را کشف کند.
علاقه گریر به گره‌ها ناشی از تحقیقاتی بود که در طول قرنطینه‌های COVID-19 در سال 2020 انجام می‌داد. او می گوید: من به برخی از آثار محققانی برخوردم که در حال مطالعه مکانیک گره های فیزیکی به معنای کاملاً ریاضی بودند. او اضافه می کند: من خودم را کوهنورد، ملوان یا ریاضیدان نمی‌دانم، اما در طول زندگی‌ام گره‌هایی بسته‌ام، بنابراین فکر کردم ارزش دارد که گره‌ها را در طرح‌هایم وارد کنم.
زیر نویس شکل
استحکام کششی ماده ای که با گره های ریزمقیاس ساخته شده است (سمت چپ)، در مقایسه با ماده ای که فاقد گره است اما از نظر ساختاری مشابه است (راست).
