شاهکار نانومهندسی؛ ساخت زره مولکولی

به گزارش ایسنا، در یک شاهکار مهندسی، محققان یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه نورث وسترن اولین ماده دوبعدی مکانیکی در هم قفل شده را ساختند. این ماده در مقیاس نانو شبیه حلقه‌های به هم پیوسته در زره‌پوش‌های قدیمی سربازان است. این ساختار انعطاف‌پذیری و استحکام فوق‌العاده ای دارد که این ویژگی موجب شده تا دانشمندان امیدوار باشند که بتوان از آن در زره‌های جدید با کارایی بالا و وزن کم استفاده کنند. این لایه دوبعدی کاربردهای صنعتی زیادی می‌تواند داشته باشد.

در مقاله‌ای با عنوان Mechanically interlocked two-dimensional polymers که در مجله Science منتشر شده‌است، این گروه چگونگی ساخت این پلیمر دوبعدی با واحدهای سازنده در هم قفل شده را تشریح کردند.

یکی از ویژگی‌های جالب این ماده، وجود ۱۰۰ تریلیون پیوند مکانیکی در هر ۱ سانتی‌متر مربع از آن است که بالاترین چگالی پیوندهای مکانیکی است که تاکنون دانشمندان ایجاد کرده‌اند. محققان این ماده را با استفاده از فرآیند پلیمریزاسیون جدید، بسیار کارآمد و مقیاس‌پذیر تولید کردند.

ویلیام دیچتل از دانشگاه نورث‌وسترن می‌گوید: «ما یک ساختار پلیمری کاملاً جدید ساختیم. این ساختار شبیه به دانه‌های زنجیری است که نمی‌تواند به راحتی پاره شود، زیرا هر یک از پیوندهای مکانیکی کمی آزادی برای لغزش دارند. اگر آن را بکشید، می‌تواند نیروی وارد شده را در جهات مختلف دفع کند. اگر بخواهید آن را از هم جدا کنید، شما باید آن را در جهت‌های مختلف بشکنید.»

برای سال‌ها، محققان تلاش کرده‌اند تا مولکول‌های در هم‌بسته مکانیکی را با پلیمرها توسعه دهند، اما دریافتند که اتصال پلیمرها برای ایجاد پیوندهای مکانیکی تقریبا غیرممکن است.

برای غلبه بر این چالش، محققان رویکرد کاملا جدیدی را در پیش گرفتند. آن‌ها با مونومرهای X شکل که بلوک‌های سازنده پلیمرها هستند، شروع کردند و آن‌ها را در یک ساختار بلوری خاص و بسیار منظم مرتب کردند. سپس، این بلورها را با مولکول دیگری برای ایجاد پیوند بین مولکول‌های درون بلور واکنش دادند.

بلورهای حاصل، از لایه‌ها و لایه‌هایی از ورقه‌های پلیمری دوبعدی در هم قفل شده تشکیل شده‌اند. در داخل ورقه‌های پلیمری، انتهای مونومرهای X شکل به انتهای مونومرهای X شکل دیگر متصل می‌شوند. سپس، مونومرهای بیشتری از میان شکاف‌های بین آن‌ها عبور می‌کنند. علیرغم ساختار سفت و سخت آن، این پلیمر به طرز شگفت‌آوری انعطاف‌پذیر است.

آن‌ها دریافتند که حل کردن پلیمر در یک محلول باعث می‌شود که لایه‌های مونومرهای در هم قفل شده از یکدیگر جدا شوند.

برای بررسی این ساختار در مقیاس نانو، محققان دانشگاه کرنل به رهبری پروفسور دیوید مولر از روش‌های میکروسکوپ الکترونی پیشرفته استفاده کردند. این تصاویر درجه بالایی از بلوری بودن پلیمر و ساختار در هم تنیده آن را تایید کرد و همچنین انعطاف‌پذیر بودن بالای آن را به تصویر کشید.