ظریف‌تر از موی انسان، محکم‌تر از فولاد!

پریسا عباسی – جدیدترین پیشرفت در فناوری نانو و مهندسی میکرو در Caltech (موسسه فناوری کالیفرنیا) ماده جدیدی را ساخته است که از چندین گره در سطح خرد ساخته شده است.

مواد ساخته شده از این گره ها سخت تر از مواد با ساختار مشابه هستند، اما بدون گره: انرژی بیشتری جذب می کنند و انعطاف پذیرتر هستند. این مواد گره دار جدید به دلیل دوام بالا، پتانسیل زیست سازگاری بالا و مشخصات بالا می توانند در علوم زیست پزشکی و کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار گیرند.

Vidianto P. Mostopo، یکی از فارغ التحصیلان Caltech که اکنون در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور کار می کند، می گوید: “کشش بدون “آنها روش جدیدی برای طراحی ابزارهایی ارائه می دهند که بسیار انعطاف پذیر و بادوام هستند و می توانند در شرایط سخت مقاومت کنند.” Mostopo نویسنده برجسته یک مقاله روی گره های چاپ شده در مقیاس نانو. منتشر شده در 8 مارس در Science Advances.

Mostopo در آزمایشگاه های جولیا آر گریر این مواد را با کمک روبن اف و دونا متلر، استاد علوم مواد، مهندسی مکانیک و مهندسی پزشکی توسعه و تولید کرد. آزمایشگاه گریر پیشگام در تولید آن دسته از مواد با ساختار نانو یا موادی است که ساختار آنها در مقیاس نانومتری طراحی و چیده شده است. این مواد اغلب خواص غیر معمول و شگفت انگیزی از خود نشان می دهند.

گریر می‌گوید: «درک اینکه چگونه گره‌ها بر پاسخ مکانیکی مصالح ریزمعماری تأثیر می‌گذارند، یک مفهوم کاملاً جدید است. ما به طور گسترده در مورد تغییر شکل مکانیکی بسیاری از ریز منسوجات دیگر، مانند مواد مشبک تحقیق و مطالعه کرده ایم. ورود به دنیای گره ها به ما این امکان را می دهد که درک عمیق تری از نقش اصطکاک و اتلاف انرژی به دست آوریم. “و به ما نشان می دهد که این معنی بسیار زیادی دارد.”

ارتفاع و عرض هر رشته حدود 70 میکرومتر و شعاع هر رشته حدود 1.7 میکرومتر (حدود یک صدم شعاع یک موی انسان) است. اگرچه اینها کوچکترین گره های تاریخ نیستند (شیمیدانان می توانند یک رشته اتمی را در سال 2017 ببندند)، این اولین بار است که ماده ای از چندین گره در این مقیاس ساخته می شود. این کار ارزش بالقوه ترکیب این گره‌ها در مقیاس نانو را در یک ماده نشان می‌دهد و ممکن است برای کاربردهایی مانند بخیه زدن یا پیوند در زیست‌پزشکی مفید باشد.

این مواد گره‌دار که از پلیمر ساخته شده‌اند، قابلیت انبساط و کشش بدون شکستگی بالایی دارند و این قابلیت باعث می‌شود که از مواد غیرگره‌دار یکسانی که از هر سیم در هم تنیده شده‌اند ساخته شوند. وقتی این نمونه‌های یخ‌زده را با نمونه‌های بدون گره‌شان مقایسه می‌کنیم، متوجه می‌شویم که بیش از 92 درصد انرژی را جذب می‌کنند و برای شکستن دو برابر نیروی بیشتری نیاز دارند.

این گره ها بسته نمی شوند، بلکه با استفاده از فناوری پیشرفته لیتوگرافی سه بعدی که قادر به تولید ساختارهای نانومقیاس است، در حالت گره دار «ساخت» می شوند. مثال‌های ارائه شده در مقاله Science Advances شامل گره‌های ساده می‌شود: یک گره جاده با چرخش اضافی که اصطکاک بیشتری برای جذب انرژی اضافی هنگام کشیده شدن مواد ایجاد می‌کند. این تیم قصد دارد در آینده مواد خیاطی پیچیده تری ایجاد کند.

در طول جداسازی کووید-19 در سال 2020، Mostopo در مورد گره ها تحقیق کرد و به آنها علاقه مند شد.

او گفت: “من از طریق کار محققی که مکانیک گره های فیزیکی را در مقایسه با گره هایی که معنای کاملاً ریاضی دارند، مطالعه می کرد.” من خودم را کوهنورد، ملوان و ریاضیدان نمی دانم، اما خیلی چیزها را در زندگی ام گلدوزی کرده ام! بنابراین فکر می کنم استفاده از گره ها در طراحی من مفید خواهد بود.

این مقاله یک عنوان ساده دارد: “گره ها ارزشی ندارند: آنها اساس طراحی، ویژگی ها و توپوگرافی مواد ریزمعماری تعاملی هستند.”

منبع:فیزیک

5858