قام فريق بحثي بقيادة علماء في جامعة نورث وسترن بتطوير أول مادة متشابكة ميكانيكيًا ثنائية الأبعاد تتمتع بمرونة وقوة عالية.
وذكر بيان صحفي أنه في المستقبل، يمكن استخدام هذه المادة لتطوير دروع خفيفة الوزن ولكن عالية الأداء ومواد أخرى متينة.
في الثمانينيات، قدم فريزر ستودار ، الذي كان آنذاك كيميائيًا في جامعة نورث وسترن، مفهوم الارتباط الميكانيكي لأول مرة. ثم قام ستودارت بتوسيع دور هذه الروابط في الآلات الجزيئية، حيث تمكن من وظائف مثل التبديل والدوران والانكماش والتوسع بطرق متعددة واستخدامها لتطوير هياكل مترابطة، مما أكسبه أيضًا جائزة نوبل في عام 2016. ولسوء الحظ، توفي ستودارت في 30 عامًا. ديسمبر 2024.
لقد عمل الباحثون لعقود من الزمن على تطوير جزيئات تتشابك ميكانيكيًا مع البوليمرات، لكنهم لم ينجحوا. "في الكيمياء العضوية، من السهل جدًا تكوين ما يسمى بـ "الحلقات المتوسطة الحجم" المكونة من 5-8 ذرات. وأوضح ويليام ديشتيل، أستاذ الكيمياء في جامعة نورث وسترن، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى شركة "إنتيرينغ إنجنيرينغ ": "لكن مثل هذه الحلقات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن احتواء جزيء آخر بداخلها".
وأضاف ديشتل: " في عملنا، تتشكل حلقات جديدة عند كل وحدة متكررة من البنية ثنائية الأبعاد، والتي يبلغ محيطها 40 ذرة ". تم الحصول على هذه النتيجة بفضل نهج مبتكر وجديد أثار تساؤلات حول الفرضيات حول كيفية تفاعل الجزيئات.
ويعود كل ذلك إلى قدرة ذرات الكربون على تكوين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأشكال ، بما في ذلك الحلقات المكونة من ذرات عديدة:
عملية مبتكرة
قام ماديسون باردو، طالب الدكتوراه في مختبر ديشتل، بتطوير عملية مبتكرة باستخدام المونومرات على شكل X كوحدات بناء وترتيبها في هياكل بلورية عالية الترتيب. ثم استخدموا جزيئًا آخر لإنشاء روابط بين جزيئات البلورة.
تتكون المادة الناتجة من طبقات من صفائح بوليمر ثنائية الأبعاد (2D)، حيث تتشابك نهايات المونومرات على شكل X مع نهايات المونومرات الأخرى على شكل X، ويتم وضع المونومرات الأخرى في الفراغات بينهما . تتكون المادة معًا من 100 تريليون رابطة ميكانيكية لكل سنتيمتر مربع، وهي أعلى كثافة تم تحقيقها على الإطلاق.
ومن المثير للاهتمام أن الفريق وجد أيضًا أنه من خلال إذابة البوليمر في المحلول، تنفصل المونومرات المترابطة عن بعضها البعض، مما يسمح بمعالجة الصفائح الفردية.
"العديد من المواد شديدة التبلور هشة، لكن البوليمر الخاص بنا لديه بنية منتظمة ومرتبة، في حين أنه مرن للغاية لأن كل رابطة ميكانيكية لديها بعض المساحة للتحرك،" أوضح Dichtel في رسالة البريد الإلكتروني إلى IE .
"عندما تطبق قوة خفيفة على البوليمر، فإنه يكون مرنًا للغاية، ولكن إذا قمت بتطبيق قوة أكبر، تصبح المادة أكثر صلابة لأن الروابط الميكانيكية تمتد محليًا إلى الحد الأقصى. تُسمى هذه الخاصية "التصلب بالانفعال" وهي ذات أهمية كبيرة للمواد اللينة والقوية ميكانيكيًا.
وبعيدًا عن الخواص الميكانيكية، تقدم بنية البوليمر خصائص مثيرة للاهتمام يمكن استكشافها لتطبيقات جديدة.
من قوة إلى قوة
أضاف متعاونو Dichtel في جامعة ديوك هذا البوليمر المطور حديثًا إلى Ultem، وهو ألياف من نفس عائلة Kevlar ولكنها قادرة على تحمل درجات الحرارة القصوى والتعرض الكيميائي. أدى استخدام 2.5% فقط من البوليمر إلى زيادة قوته وصلابته بشكل كبير. ويمكن استخدام هذا لصنع الدروع الواقية للبدن أو الحماية الباليستية.
في حين تم تصنيع البوليمرات التي تحتوي على روابط ميكانيكية من قبل على نطاق صغير، إلا أن هذا النهج سمح لفريق ديشتل بإنتاج ما يقرب من رطل (نصف كيلوجرام) من المادة بسهولة. وهذا يوضح أيضًا أن هذا النهج قابل للتطوير بدرجة كبيرة.
"ربما كان الجانب الأكثر تحديًا هو أن نثبت لأنفسنا أن لدينا بالفعل البنية الميكانيكية المتشابكة المقترحة: لقد تطلب الأمر فريقًا من المهارات المختلفة - الكيميائيين الاصطناعيين، والمجاهر الإلكترونية، ومهندسي البوليمر - لفهم كيفية إنتاج المواد ومن ثم كيفية دراستها فعليًا". هم،"
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بما يتم نشره من مقالات السيناريوهات الاقتصادية الجديدة.
المقالة ثورة في الدروع: علماء أمريكيون يصنعون بوليمر ميكانيكي عالي القوة يأتي من السيناريوهات الاقتصادية .