مواد جدید سبک و در عین حال قویتر از فولاد عمل میکنند

پلیمریزه کردن در دو بعد

 با استفاده از فرایند نوین پلیمریزاسیون، مهندسین شیمی در MIT ماده ای جدید ابداع کردند که از فولاد قویتر و در عین حال همچون پلاستیک سبک بوده و می‌تواند در ابعاد بالا تولید شود.

ماده نوین سنتز شده پلیمری دو بـعدی است که این بر خلاف سایـر عموم پلیمرهـاست که زنجـیرهایی تک بعـدی دارند. این پلیـمر جـدید قابـلیت خـودآرایی (Self-assembly) در قالب یک صفحه دارد، این در صورتی است که دانشمندان تا به امروز باور داشتند که نمی‌توان پلیمرها را در صفحات دو بعدی سنـتز کـرد.

چنین ماده ای می‌تواند به عنوان پوششی سبک و با دوام برای قطعات خودرویی یا در گوشی‌های تلفن همراه یا به عنوان مصالح در پل‌ها یا سایر سازه‌ها به کار رود.

دو بعدی

پلاستیک‌ها، که طبقه‌ای از خانواده پلیمرها هستند، همگی از واحدهای سازنده‌ای به اسم مونومر ساخته شده اند این زنجیرها با اضافه کردن مولکولهای جدید به دو سر انتهایی رشد می‌کنند. به محض اینکه زنجیرها تشکیل شوند، پلیمرها را می‌توان با استفاده از فرایندهای قالبگیری به اشیای سه بعدی تبدیل میشوند. اما به تازگی داشنمدان دریافته اند که میتوان پلیمریزاسیون را دردو بعد القا کرد و در نهایت صفحه‌ای دو بعدی داشت. پیش از این، این ایده محال به نظر می‌آمـد زیرا اگر تنـها یک مونومر بالا یا پایین یا به بیرون از صفحه در حال رشد بچرخد، ماده شروع به انبساط در سه بعد کرده و ساختار صفحه مانند از دست می‌رود.

اما در مطالعات جدید استرانو و همکارانش فرایند پلیمریزاسیون جدیدی یافتند که به آن ها اجازه سنتز صفحه دو بعدی از پلیمر به اسم پلی آرامید را می‌دهد. ایشان در ساخت این پلیمر که اکنون 2DPA-1 نام دارد، از مونومر ملامین استفاده کرده که حاوی یک حلقه کربنی به همراه اتـم‌های نیتروژن است. در شـرایط منـاسب، این مونومرها می‌توانند در دو بعد رشد کرده و دیسک‌ها را شکل دهند. این دیسک‌ها روی یک دیگر خود به خود قرار گـرفته و توسط پیـوندهای هیـدروژنی پیـوند میان لایه‌ای برقرار می‌کنند. نتیجه این امر تشکیل ساختاری پایدار و قوی است.

فرایند پلیمریزاسیون دو بعدی در محلول انجام می‌شود و بعد از سنتز کردن ماده می‌توان به راحتی پوشش‌های Spin-coat بسیار قوی داشت همچنین از آنجایی که ماده در محلول self-assemble می‌شود می‌توان با افزایش مقدار ماده اولیه به راحتی مقدار انبوهی از محصول داشت.

سبک اما قوی

محققین دریافتند که مدول الاستیک ماده جدید بین 4 تا 6 برابر شیشه ضد گلوله است. آنان همچنین از آزمایش‌های انجام شده نتیجه گرفتند که استحکام تسلیم این ماده دو برابر فولاد و در عین حال دانسیته آن حدود یک ششم فولاد است.

یک ویـژگی مهـم این پلـیمرهای نوین این است که در حالت محلول فرایند پذیر هستند. این خاصیت به ویژه در کاربردهایی که استحکام ویژه بالا نیاز است، اهمیت زیـادی دارد. خاصـیت مهم دیگر این ماده عدم تراوایی آن نسبـت به گازها است. سایر پلیـمرها از زنجیره های کویل مانند تشکـیل شده و حاوی فضـای خالی میان زنجیرهای خود هستند اما ماده تولید شده جدید از مونومرهایی تشکیل شده است که مثل قطعات لگو در همدیگر قفل می‌شوند و لذا اجازه ورود هوا را نمیـدهند.

تولید چنین ماده ای به ما اجازه می‌دهد تا پوشش‌های فوق نازکی داشته باشیم که سد خوبی در برابر آب یا گازها هستند. چنـین پوشش‌هایی را میتوان در قطعات خودرویی یا سایر ساختارهای فولادی و فلزی به کار برد.

در حال حاضر تمرکز این تیم تحقیقاتی بر بررسی امکان استفاده‌های مونومر جایگزین و دستیابی مجدد به چنین ساختار دو بعدی است.