اختصاصی بسپار/ پژوهشگران MIT راهی برای تولید بسپارهای فوقمقاوم در برابر ضربه پیدا کردند: مواد ضعیفتر، پلاستیکهای قویتر میسازند!
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر گروهی از پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در دستاوردی که میتواند آینده بسیاری از محصولات پلاستیکی را متحول کند، فناوری جدیدی برای افزایش چشمگیر مقاومت ضربهی بسپارها توسعه دادهاند. نکته جالب این پژوهش آن است که دانشمندان برای قویتر کردن مواد، عمدا پیوندهای ضعیفتری را به ساختار آنها افزودهاند.
نتایج این پژوهش که در نشریه Nature منتشر شده، نشان میدهد افزودن مولکولهای ویژهای موسوم به «مکانوفور» (Mechanophore) به شبکه بسپارها میتواند مقاومت آنها را در برابر ضربههای شدید بهطور قابلتوجهی افزایش دهد. این فناوری روی پلیاستایرن و لاستیک استایرن-بوتادیان-استایرن آزمایش شده و میتواند کاربردهای گستردهای در صنایع تایر، خودروسازی، الکترونیک و تجهیزات حفاظتی داشته باشد.
ایدهای متناقض؛ ضعیف کردن برای قویتر شدن
هسته اصلی این نوآوری بر یک مفهوم ظاهرا متناقض استوار است؛ ایجاد نقاط ضعف کنترلشده برای افزایش استحکام کلی ماده. پژوهشگران مولکولهای مکانوفور را بهعنوان عوامل اتصال عرضی در سراسر شبکه بسپاری پراکنده کردند. این پیوندهای ضعیف در شرایط عادی پایدار هستند، اما هنگام وارد شدن ضربه شدید بهصورت انتخابی شکسته میشوند و بخشی از انرژی ضربه را جذب میکنند.
به گفته رئیس پروژه، این اتصالدهندههای جدید میتوانند میزان انرژی جذبشده توسط ماده در برخوردهای شدید را به شکل قابلتوجهی افزایش دهند و در صورت تعمیم به سایر بسپارها، کاربردهای صنعتی گستردهای خواهند داشت.
پلیاستایرن؛ از مادهای شکننده تا مقاوم در برابر ضربه
یکی از مواد مورد آزمایش در این پژوهش پلیاستایرن بود؛ بسپاری سخت و شفاف که در تولید ظروف پلاستیکی، بطریها، لیوانها، کارد و چنگال یکبارمصرف و پوششهای تجهیزات الکترونیکی کاربرد گسترده دارد.
شکل اسفنجی این ماده نیز پایه تولید بسیاری از محصولات بستهبندی سبکوزن از جمله Styrofoam محسوب میشود.
پژوهش جدید ادامه مطالعاتی است که همین گروه در سال ۲۰۲۳ همراه پژوهشگرانی از MIT و دانشگاه Duke انجام داده بودند. آن پژوهش نشان داده بود که اتصالدهندههای ضعیف میتوانند مقاومت مواد را در برابر پارگی تدریجی افزایش دهند.
در آن مطالعه مشخص شد هنگامی که ترک درون ماده گسترش پیدا میکند، مکانوفورها شکسته میشوند و با منحرف کردن مسیر ترک، انرژی بیشتری را جذب میکنند. در نتیجه برای ادامه گسترش ترک به انرژی بیشتری نیاز خواهد بود.
آزمایش با سرعتی بیش از ۲۵۰۰ کیلومتر بر ساعت
در پژوهش جدید، دانشمندان به جای بررسی پارگیهای آهسته، مقاومت مواد در برابر ضربههای بسیار سریع را مورد مطالعه قرار دادند. برای این منظور از سامانهای به نام Laser-Induced Projectile Impact Testing (LIPIT) استفاده شد که توسط «Keith Nelson»، استاد شیمی MIT، توسعه یافته است.
در این سامانه، ذرات بسیار ریز سیلیکا با قطری در حدود ۱۰ میکرومتر با سرعتی نزدیک به ۷۵۰ متر بر ثانیه به نمونههای بسپاری شلیک میشوند. این سرعت معادل بیش از ۲۵۰۰ کیلومتر بر ساعت است. پژوهشگران با اندازهگیری سرعت ذرات قبل و بعد از عبور از فیلم بسپاری، میزان انرژی جذبشده توسط ماده را محاسبه کردند.
نتایج نشان داد پلیاستایرنهای حاوی مکانوفور انرژی بسیار بیشتری نسبت به پلیاستایرنهای معمولی یا نمونههای دارای اتصال عرضی متداول جذب میکنند.
راز کارکرد مکانوفورها چیست؟
بررسیهای مشترک پژوهشگران MIT، دانشگاههای Purdue، Northwestern و Duke نشان داد هنگام برخورد ذرات پرسرعت، دمای موضعی در محل ضربه بهشدت افزایش مییابد. در این ناحیه گرمشده، پیوندهای مکانوفور تحت اثر نیرو بهصورت انتخابی شکسته میشوند و مسیری کنترلشده برای جذب انرژی ایجاد میکنند. در نتیجه بخش قابلتوجهی از انرژی ضربه صرف تغییر شکل موضعی ماده میشود، در حالی که نواحی اطراف همچنان ساختار خود را حفظ میکنند.
پژوهشگران این پدیده را نوعی گذار موضعی از ساختار گرماسخت به رفتار گرمانرم توصیف کردهاند که امکان تغییر شکل جذبکننده انرژی را در محل ضربه فراهم میکند. به گفته پژوهشگران، این راهبرد نهتنها در پلیاستایرن شیشهای، بلکه در همبسپارهای سهدستهای SBS نیز موفقیتآمیز بوده و قابلیت تعمیم به طیف گستردهای از مواد را دارد.
فرصتهای جدید برای صنعت لاستیک خودرو
یکی از جذابترین بخشهای این پژوهش، کاربرد احتمالی آن در صنعت لاستیک خودرو است. پژوهشگران موفق شده اند مکانوفورها را در لاستیک SBS که در زیره کفش، آسفالت و مصالح بام کاربرد دارد، به کار گیرند و نتایج مشابهی مشاهده کنند. اکنون پژوهشگران در حال بررسی امکان استفاده از این فناوری در لاستیک استایرن-بوتادیان (SBR) هستند؛ مادهای که یکی از اجزای اصلی لاستیک خود رو به شمار میرود.
در صورت موفقیت، این فناوری میتواند عمر لاستیک خودرو را افزایش داده و میزان تولید ریزپلاستیک (Microplastic) ناشی از سایش لاستیک را کاهش دهد. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا برآورد میشود حداقل ۱۰ درصد ریزپلاستیکهای موجود در محیطزیست از تماس و سایش لاستیک خودرو با سطح جاده ایجاد شوند.
از لاستیک خودرو تا محافظت از تجهیزات الکترونیکی
کارشناسان معتقدند دامنه کاربرد این فناوری بسیار فراتر از صنعت لاستیک خودرو خواهد بود. مواد جدید میتوانند در تولید قابهای مقاومتر برای تجهیزات الکترونیکی، قطعات خودرو، تجهیزات ایمنی و حتی محصولات نظامی مورد استفاده قرار گیرند. یکی از مهمترین مزیتهای این فناوری امکان بهبود کارکرد پلاستیکهای تجاری موجود بدون نیاز به تغییرات گسترده در فرمولبندی یا فرایند تولید است؛ موضوعی که میتواند تجاریسازی آن را تسهیل کند.
گامی جدید در مهندسی بسپارها
پژوهشگران MIT معتقدند نتایج این پژوهش میتواند یک اصل طراحی جدید در علم بسپار ایجاد کند؛ اصلی که به کمک آن میتوان مواد تجاری رایج را به بسپارهایی با مقاومت ضربهی زیاد تبدیل کرد.
اگر این فناوری در مقیاس صنعتی موفق عمل کند، صنعت بسپار با نسل جدیدی از مواد روبهرو خواهد شد که ضمن حفظ وزن کم و قابلیت فرآوری مناسب، توانایی جذب انرژی بسیار بیشتری دارند. چنین دستاوردی میتواند مسیر توسعه محصولات بادوامتر، ایمنتر و حتی سازگارتر با محیطزیست را در سالهای آینده هموار کند.
