ساخت ابریاقوت با سختی نزدیک به فلز تنگستن

محققان دانشگاه تگزاس در آستین موفق به توسعه ابریاقوت شفاف شده‌اند که به سختی فلز تنگستن بوده و ویژگی‌هایی مانند مقاومت بالا در برابر خط و خش، کاهش تابش نور، جلوگیری از بخارگرفتگی و دفع گرد و غبار را دارد.

 به گزارش تکناک، این ابریاقوت که نسخه‌ای بهبودیافته از یاقوت کبود است، می‌تواند در تولید صفحه‌نمایش گوشی‌های هوشمند و عینک‌های مقاوم در برابر خش و تابش نور کاربرد داشته باشد.

 تصور کنید صفحه‌نمایشی که هیچ خط و خشی روی آن باقی نمی‌ماند یا عینکی که برای همیشه از انعکاس‌های مزاحم در امان است. این ویژگی‌ها که تا پیش از این غیرممکن به نظر می‌رسیدند، اکنون به لطف پژوهشی پیشگامانه در دانشگاه تگزاس در آستین، در آستانه تحقق قرار دارند. محققان این دانشگاه موفق شده‌اند ساختاری نوین از یاقوت را توسعه دهند که با ویژگی‌هایی کم‌نظیر، در برابر خط و خش، بازتاب نور، بخار و حتی گرد و غبار مقاوم است.

در دنیای مدرن، مواد مورد استفاده در تجهیزات الکترونیکی باید قادر باشند در برابر شرایط سخت و استفاده روزمره تاب بیاورند. یکی از گزینه‌های مطرح در این زمینه، یاقوت است که به دلیل شفافیت، سختی و مقاومت بالا، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است.

چیه-هائو چانگ، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه تگزاس و محقق اصلی این پژوهش، می‌گوید:

«یاقوت به دلیل سختی بالا و ویژگی‌های منحصر‌به‌فردش، ماده‌ای ارزشمند محسوب می‌شود،ما همین ویژگی‌ها باعث شده‌اند که تولید آن در مقیاس کوچک چالش‌برانگیز باشد.»

همین چالش، محققان را بر آن داشت تا با بررسی ساختارهای نانومتری، به دنبال راهکاری برای افزایش استحکام و کاربردپذیری یاقوت باشند. آن‌ها با الهام از طبیعت، موفق به طراحی نانوساختارهایی از یاقوت شدند که علاوه بر افزایش دوام، ویژگی‌هایی همچون ضد بازتاب، ضد بخار، ضد گردوغبار و مقاوم در برابر خراش را در خود جای داده‌اند.

فناوری نانویی در ساختار ابریاقوت

شاید اصطلاح «نانوساختار» مفهومی پیچیده به نظر برسد، اما در واقع این ساختارها، نوعی معماری در ابعاد میکروسکوپی هستند که از ویژگی‌های طبیعی الهام گرفته‌اند،برای مثال، چشمان شب‌پره که به دلیل ساختار خاص خود، انعکاس نور را به حداقل می‌رسانند.

دانشمندان دانشگاه تگزاس نیز از همین ویژگی الهام گرفتند و نانوساختارهای مخروطی‌شکل در سطح ابریاقوت ایجاد کردند که میزان عبور نور را افزایش داده و انعکاس را کاهش می‌دهد. کن-چی چیان، یکی از محققان این پروژه، توضیح می‌دهد: «نانوساختارها اغلب شکننده در نظر گرفته می‌شوند، اما طراحی آن‌ها در یاقوت، این مشکل را برطرف کرده است.»

نانوساختارهای ایجادشده شامل ستون‌هایی با ارتفاع ۵۰۰ نانومتر و عرض ۲۴۰ نانومتر هستند که در یک الگوی دقیق هندسی قرار گرفته‌اند. این ترکیب، بالاترین نسبت ابعادی گزارش‌شده را برای نانوساختارهای یاقوتی رقم زده است. چنین ساختاری، موجب کاهش بازتاب و افزایش انتقال نور می‌شود.

نتایج خیره‌کننده آزمایش‌ها

آزمایش‌های انجام‌شده روی این ساختارها، نتایج چشمگیری به همراه داشت. یاقوت نانوساختارشده، ۹۵.۸٪ از نور را در طول‌موج ۱۳۶۰ نانومتر عبور داد—در حالی که یاقوت معمولی تنها ۸۵.۹٪ نور را در همین طول‌موج منتقل می‌کند.

از دیگر ویژگی‌های قابل‌توجه این ابریاقوت، خاصیت ضد بخار آن است. در حالی که یاقوت معمولی هنگام قرارگیری در معرض بخار به سرعت دچار مه‌گرفتگی می‌شود، نمونه نانوساختارشده، شفافیت خود را حفظ می‌کند. دلیل این ویژگی، خاصیت فوق‌آبدوستی سطح یاقوت است که موجب پخش یکنواخت آب و جلوگیری از تشکیل قطرات پراکنده می‌شود.

این ماده همچنین پس از یک پردازش شیمیایی، خاصیت فوق‌آبگریزی پیدا می‌کند. در این حالت، قطرات آب به سختی به سطح آن می‌چسبند و با زاویه تماس ۱۴۴.۲ درجه روی آن قرار می‌گیرند،در حالی که زاویه ۱۵۰ درجه به‌عنوان حد مرزی برای سطوح فوق‌آبگریز در نظر گرفته می‌شود. فیلم‌های ضبط‌شده با دوربین‌های سرعت‌بالا نشان دادند که قطرات آب حتی در سرعت ۱ متر بر ثانیه نیز پس از برخورد به سطح، کاملاً دفع می‌شوند. این ویژگی، امکان خودتمیزشوندگی را فراهم می‌کند، به‌طوری که تنها با جریان آب، سطح از آلودگی پاک می‌شود.

تحولی بزرگ در فناوری فضایی

کاربردهای این ابریاقوت، بسیار گسترده‌اند. از شیشه‌های ضد مه و ضد بازتاب گرفته تا شیشه‌های خودرو که در برابر گرد و غبار مقاوم‌اند، این نانوساختارها می‌توانند جایگزین مواد فعلی شوند. علاوه بر این، ویژگی دوگانه آن‌ها که می‌تواند بسته به نیاز، خاصیت آب‌دوستی یا آب‌گریزی داشته باشد وامکانات جدیدی را در طراحی تجهیزات مختلف ایجاد می‌کند.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این ماده، در تجهیزات فضایی است. اندرو تونل، پژوهشگر ارشد این پروژه، می‌گوید: «سطوح خودتمیزشونده‌ای که توسعه داده‌ایم، می‌توانند ۹۸.۷٪ گردوغبار را تنها با کمک نیروی گرانش دفع کنند.»

در آزمایش‌هایی که با گردوغبار شبیه‌سازی‌شده ماه انجام شد، مشخص شد که سطح نانوساختارشده یاقوتی، تقریباً تمام گرد و غبار را دفع کرده و تنها ۱.۳٪ از سطح آن آلوده باقی می‌ماند،در حالی که یاقوت معمولی در شرایط مشابه، ۳۱.۸٪ از سطح خود را آلوده نگه می‌دارد. این ویژگی می‌تواند روش‌های سنتی پاک‌سازی گردوغبار در فضا را دگرگون کند، زیرا در محیط‌هایی مانند سطح ماه یا مریخ، آب یک منبع کمیاب و گران‌بهاست.

گامی به‌سوی آینده‌ای روشن

اکنون پژوهشگران دانشگاه تگزاس در تلاش‌اند تا این نانوساختارها را در مقیاس صنعتی تولید کرده و عملکرد آن‌ها را بهینه‌سازی کنند. آن‌ها به دنبال راه‌هایی هستند که محدوده ضد بازتابی و آب‌گریزی این ماده را افزایش دهند و هم‌زمان، دوام مکانیکی آن را حفظ کنند.

با این اکتشاف، یاقوت از یک سنگ زینتی ساده فراتر رفته و به ماده‌ای چندمنظوره با کاربردهای گسترده در فناوری تبدیل شده است. اگرچه الماس همواره به عنوان سخت‌ترین ماده شناخته شده، اما به نظر می‌رسد اکنون نوبت یاقوت است که در مرکز توجه قرار بگیرد.