کراس لینکرهای ضعیف همراه با تاثیرات قوی بر استحکام مواد

اضافه کردن پیوندهای ضعیفتر می‌تواند مقاومت پلیمر را در برابر پارگی افزایش دهد.

یک تیم متشکل از شیمیست‌های دانشگاه MIT و Duke راهی جالب برای تقویت پلیمرها یافته اند و آن اضافه کردن تنها چند پیوند ضیعفتر‌ به زنجیرهای پلیمری است.

این محققین در حین کار با پلی اکریلات الاستومرها، متوجه شدند که می‌توانند مقاومت ماده را در برابر پارگی تنها با استفاده از انواع ضعیفتری از کراس لینکر‌ها به بلوک‌های پلیمرهای تا ده‌ها برابر افزایش دهند.

این پلیمرهای رابرمانند معمولا در قطعات خودرویی و نیز به عنوان "جوهر" در پرینتر‌های سه بعدی استفاده می‌شوند. در حال حاضر محققین سعی دارند از این روش تقویت ماده در مواد دیگری همچون لاستیک تایرها نیز بهره ببرند.

Jeremiah Johnson، پروفسور شیمی در MIT و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید"اگر بتوان مقاومت لاستیک تایر را تا ده ها برابر بالاتر برد، می‌توان دوام آن‌ها را به شکل قابل توجهی بالا برد که این خود تاثیر زیادی بر میزان پسماند میکروپلاستیکی دارد".

یکی از مزایای قابل توجه این روش این است که تاثیر خاصی بر خواص فیزیکی پلیمر ندارد.

در این باره، Stephen Craig، پروفسور شیمی در دانشگاه Duke و یکی از نویسندگان همین مقاله نیز می‌گوید "مهندسان پلیمر به خوبی می‌دانند که چگونه می‌توان مواد پلیمری را چقرمه‌تر کرد اما روش‌های آن‌ها معمولا ناخواسته بر سایر خواص ماده نیز اثر می‌گذارد. در این مورد، بهبود چقرمگی هیچ تاثیر ناخواسته‌ای بر خواص فیزیکی-حداقل در مقیاس اندازه گیری ما- ندارد"

این پروژه حاصل همکاری Johnson، Craig، و پروفسور دانشگاه Duke، Michael Rubinstein است. نویسنده اول این مقاله Shu Wang دانشجوی فوق دکترای MIT است که مدرک دکترای خود را از دانشگاه Duke دریافت کرده است.

ضعیفترین لینک

پلی اکریلات الاستومرها شبکه‌های پلیمری هستند متشکل از رشته‌های اکریلاتی که با مولکول‌های کراس لینکر به یکدیگر متصل شده اند. این بلوک‌های سازنده را می‌توان با روش‌های مختلفی به یکدیگر متصل کرد و خواص متفاوتی به دست آورد.

یک معماری غالب به کار رفته در این پلیمرها، شبکه ستاره‌ای است. این پلیمرها از دو نوع بلوک سازنده تشکیل شده اند: یک بلوک ستاره‌ای با چهار بازوی یکسان بوده و دیگری زنجیری است که به عنوان لینکر عمل می‌کند. این لینکرها انتهای هر بازوی ستاره را به انتهای بازوی ستاره دیگر وصل کرده و از این طریق شبکه‌ای مثل تور والیبال تشکیل می‌شود.

در تحقیقی که در سال 2021 انجام شد، Craig، Rubinstein و پروفسوری در MIT به نام Bradely Olsen به کمک یکدیگر موفق به اندازه گیری استحکام این پلیمرها شدند. همانطور که انتظار می‌رفت آنان متوجه شدند هنگامی که لینکرهای انتهایی ضعیفتر هستند، ماده به طور کلی استحکام پایینتری از خود نشان می‌دهد. این لینکرهای ضعیف که شامل مولکول‌های حلقه‌ای به سیکلوبوتان بودند، به نیروی بسیاری کمتری برای شکست نسبت به لینکرهای قویتری که معمولا استفاده می‌شدند داشتند.

در ادامه همان تحقیق، این دانشمندان تصمیم گرفتند تا شبکه پلیمری دیگری را بررسی کنند؛ شبکه پلیمری که در آن رشته‌های پلیمر به جای آن‌ که دقیقا از نقطه انتهایی به همدیگر متصل شده باشند، در محل‌های تصادفی به همدیگر پیوند خورده باشند.

این بار، هنگامی که محققین از لینکرهای ضعیفتر استفاده کردند تا بلوک‌های سازنده اکریلاتی را به یکدیگر متصل کنند، متوجه شدند که ماده مقاومت بسیار بالاتری در برابر پارگی پیدا کرد.

باور این محققین بر این است که علت این موضوع توضیع تصادفی این پیوندهای ضعیف بین رشته‌های قوی در سرتاسر ماده است. با این نوع توضیع، لینکر مورد نظر دیگر جزئی از رشته به حساب نمی‌آید و پلی بین دو رشته قوی است. هنگامی که این ماده تا نقطه شکست کشیده می‌شود، هر ترک در حال رشد در سرتاسر ماده به سمت پیوندهای ضعیفتر می‌رود و از این طریق پیوندهای قوی سالم باقی می‌مانند. به عبارت دیگر ترک برای رشد نیاز به شکست باندهای ضعیف بیشتری دارد در حالی که برای میزان یکسانی از رشد نیاز به شکست باندهای قوی کمتری داشت.

Johnson می‌گوید "هرچند این باندهای ضعیفتر است، اما در هنگام شکست تعداد بیشتری از آن‌ها باید پاره شود چرا که ترک از طریق باندهای ضعیفتر رشد می‌کند و همین موضوع مسیر رشد ترک را طولانی تر می‌کند."

مواد چقرمه

با استفاده از این روش، محققین نشان دادند که پلی اکریلات‌هایی که تعدادی لینکرهای ضعیفتر در ساختار خود داشتند 9 تا 10 برابر بیشتر مقاومت در برابر پارگی داشتند نسبت به پلی اکریلات‌هایی که تماما از کراس لینکرهای قویتر تشکیل شده بودند. این تاثیر در حالتی دیده شد که کراس لینکرهای ضعیف تنها 2% از ترکیب کل مواد را تشکیل می‌دادند.

همچنین محققان نشان دادند که در برگیری کراس لینکرهای ضعیف سایر خواص ماده را همچون مقاومت در برابر شکست تحت گرما تحت تاثیر قرار نمی‌دهد.

Johnson می‌گوید "معمولا نمی‌توان دو ماده یافت که ساختار یکسان و خواص شبکه‌ای یکسان دارند اما تنها تفاوتشان در این است که مقاومت پارگی یکی ده برابر دیگری است."

در حال حاضر تمرکز این دانشمندان بر یافتن راهی برای بهبود چقرمگی سایر مواد از قبل لاستیک‌ها است.