دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن ایالات متحده، موفق به ایجاد ماده‌ای انقلابی شده‌اند که به‌عنوان قوی‌ترین ماده زرهی دوبعدی در جهان شناخته می‌شود. این ماده با ۱۰۰ تریلیون پیوند مکانیکی در هر سانتی‌متر مربع، ترکیبی خارق‌العاده از استحکام و انعطاف‌پذیری است و می‌تواند مسیرهای تازه‌ای را در حوزه‌های مختلف از جمله زره‌سازی، صنایع نظامی و حتی صنعت ساختمان باز کند.
از نوبل شیمی تا زره‌پوش‌های فوق پیشرفته
ایده اولیه این ماده به دهه ۱۹۸۰ و تحقیقات فریزر استودارت، شیمیدان برجسته و برنده نوبل شیمی در سال ۲۰۱۶ بازمی‌گردد. او مفهوم پیوندهای مکانیکی را معرفی کرد و نشان داد که این پیوندها می‌توانند عملکردهایی همچون سوئیچینگ، چرخش و انبساط را در مقیاس مولکولی امکان‌پذیر کنند.
در ادامه، استودارت و تیم تحقیقاتی‌اش این فناوری را توسعه دادند تا ساختارهای درهم‌تنیده‌ای ایجاد کنند که به‌شدت مقاوم و درعین‌حال انعطاف‌پذیر باشند. اما چالش اصلی، گسترش این فناوری در مقیاس بزرگ‌تر و استفاده عملی از آن بود که سال‌ها تلاش بی‌وقفه را می‌طلبید.
فرآیند ساخت؛ ترکیب علم و نوآوری
تیم تحقیقاتی به سرپرستی ویلیام دیچتل، استاد شیمی در دانشگاه نورث‌وسترن، از یک رویکرد پیشگامانه برای ساخت این ماده بهره برد. آن‌ها از مونومرهای X شکل به‌عنوان بلوک‌های سازنده استفاده کردند و این مونومرها را به‌صورت ساختارهای کریستالی بسیار منظم مرتب نمودند. سپس با استفاده از مولکول‌های دیگر، پیوندهای مکانیکی بسیار قوی بین این مونومرها ایجاد کردند.
نتیجه این فرآیند، ماده‌ای دوبعدی و لایه‌ای بود که از ورق‌های پلیمری درهم‌تنیده تشکیل شده است. این ورق‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که انتهای مونومرها در یک‌دیگر قفل شده و فضای کافی برای حرکت در پیوندهای مکانیکی فراهم می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود ماده، علاوه‌بر استحکام، انعطاف‌پذیری بالایی نیز داشته باشد.
خواص مکانیکی برجسته
یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده، خاصیت «سخت شدن کرنش» است. به این معنا که ماده در برابر نیروهای کم، بسیار انعطاف‌پذیر عمل می‌کند، اما با افزایش نیرو، به‌شدت سخت‌تر و مقاوم‌تر می‌شود. این ویژگی در کنار چگالی بالای پیوندهای مکانیکی، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای زره‌های سبک و مقاوم تبدیل می‌کند.
دیچتل درباره این ماده می‌گوید: «بسیاری از مواد کریستالی، شکننده هستند، اما ماده ما با وجود ساختار منظمش، انعطاف‌پذیری بالایی دارد. این ترکیب از استحکام و انعطاف، آن را به ماده‌ای بی‌نظیر تبدیل کرده است.»
مقیاس‌پذیری و کاربردهای صنعتی
یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای این پروژه، توانایی تولید این ماده در مقیاس انبوه است. محققان موفق شدند نزدیک به نیم کیلوگرم از این پلیمر را تولید کنند، در حالی که پیش‌تر پلیمرهای مشابه تنها در مقادیر بسیار کم سنتز می‌شدند. این قابلیت تولید انبوه، راه را برای استفاده عملی از این ماده در صنایع مختلف هموار می‌کند.
تیم تحقیقاتی این پلیمر را به فیبری از خانواده کِولار به نام Ultem اضافه کرد. این فیبر به‌خاطر مقاومت بالا در برابر دما و مواد شیمیایی مشهور است. افزودن تنها ۲.۵ درصد از این ماده به Ultem، استحکام آن را به طرز چشمگیری افزایش داد. این ترکیب می‌تواند در تولید زره‌پوش‌های سبک و مقاوم، لوازم ایمنی و حتی در ساخت و سازهای مقاوم در برابر زلزله و بلایای طبیعی کاربرد داشته باشد.
تحولی در صنعت ساختمان
ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده، آن را به گزینه‌ای جذاب برای استفاده در صنعت ساختمان تبدیل کرده است. مقاومت در برابر فشارهای سنگین، انعطاف‌پذیری در برابر تنش‌های ناگهانی و توانایی جذب انرژی بالا، می‌تواند در طراحی سازه‌های ایمن‌تر و بادوام‌تر نقش مهمی ایفا کند.
علاوه‌بر این، قابلیت تولید انبوه و هزینه نسبی پایین این ماده در مقایسه با دیگر مواد مقاوم، آن را به انتخابی اقتصادی برای پروژه‌های بزرگ ساختمانی تبدیل می‌کند.
در نتیجه، این ماده دوبعدی درهم‌تنیده، تنها نمونه‌ای از پیشرفت‌های علمی است که می‌تواند صنایع مختلف، از نظامی و پزشکی گرفته تا ساخت و ساز و معماری را متحول کند. همان‌طور که دیچتل می‌گوید: «این تنها آغاز راه است. ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده می‌تواند دریچه‌های تازه‌ای را برای اکتشافات آینده باز کند.»
یافته‌های این پژوهش در مجله Science منتشر شده و نویدبخش آینده‌ای روشن در استفاده از مواد پیشرفته در زندگی روزمره ماست.
source