علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Two-dimensional polymer helps create a new lightweight material that is stronger than steel
(Sarah McDonnell – بقلم: سارة ماكدونال)
ملخص المقالة:
باستخدام عملية بلمرة جديدة، ابتكر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة جديدة مكونة من بوليمر ثنائي الأبعاد يتجمع ذاتيا في صفائح، وهي أقوى من الفولاذ وخفيفة مثل البلاستيك، ويمكن تصنيعها بسهولة بكميات كبيرة. ويمكن استخدامها كطلاء خفيف الوزن ودائم لقطع غيار السيارات أو الهواتف المحمولة، أو كمواد بناء للجسور أو الهياكل الأخرى.
( المقالة )
باستخدام عملية بلمرة جديدة، ابتكر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة جديدة أقوى من الفولاذ وخفيفة مثل البلاستيك، ويمكن تصنيعها بسهولة بكميات كبيرة.
والمادة الجديدة هي بوليمر ثنائي الأبعاد يتجمع ذاتيا في صفائح، على عكس جميع البوليمرات الأخرى، التي تشكل سلاسل أحادية البعد تشبه السباغيتي. وحتى الآن، اعتقد العلماء أنه من المستحيل حث البوليمرات على تشكيل صفائح ثنائية الأبعاد.
ويقول البروفيسور مايكل سترانو، أستاذ ‘پي دوبس للكربون’ والهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكبير مؤلفي الدراسة الجديدة، إن مثل هذه المواد يمكن استخدامها كطلاء خفيف الوزن ودائم لقطع غيار السيارات أو الهواتف المحمولة، أو كمواد بناء للجسور أو الهياكل الأخرى.
ويضيف: “لا نفكر عادة في البلاستيك على أنه شيء يمكنك استخدامه لدعم المبنى، ولكن مع هذه المواد، يمكنك تمكين أشياء جديدة، لديها خصائص غير عادية للغاية ونحن متحمسون جدا لذلك”.
وتقدم الباحثون بطلب اختراعين حول العملية التي استخدموها لتوليد المادة، والتي يصفونها في ورقة تظهر اليوم (2 فبراير) في مجلة نيتشر. يوين تسنغ ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هو المؤلف الرئيسي للدراسة.
بعدان اثنان
تتكون البوليمرات، التي تشمل جميع المواد البلاستيكية، من سلاسل من اللبنات الأساسية تسمى المونومرات. وتنمو هذه السلاسل بإضافة جزيئات جديدة إلى نهاياتها. وبمجرد تشكيلها، يمكن تشكيل البوليمرات في أجسام ثلاثية الأبعاد، مثل زجاجات المياه، باستخدام صب الحقن.
وقد افترض علماء البوليمر منذ فترة طويلة أنه إذا كان من الممكن تحفيز البوليمرات على النمو في صفيحة ثنائية الأبعاد، فيجب أن تشكل مواد قوية وخفيفة الوزن للغاية. ومع ذلك، أدت عقود عديدة من العمل في هذا المجال إلى استنتاج مفاده أنه من المستحيل إنشاء مثل هذه الصفائح. وكان أحد أسباب ذلك هو أنه إذا كان مونومر واحد فقط يدور لأعلى أو لأسفل، من مستوى صفيحة النمو، فستبدأ المادة في التوسع في ثلاثة أبعاد وسيفقد الهيكل الشبيه بالصفيحة.
ومع ذلك، في الدراسة الجديدة، توصل البروفيسور سترانو وزملاؤه إلى عملية بلمرة جديدة تسمح لهم بإنشاء صفيحة ثنائية الأبعاد تسمى البولي أراميد. وبالنسبة للَبِنات بناء المونومر، يستخدمون مركبا يسمى الميلامين، والذي يحتوي على حلقة من ذرات الكربون والنيتروجين. وتحت الظروف المناسبة، يمكن أن تنمو هذه المونومرات في بعدين، مشكلةً أقراصا. وتتراكم هذه الأقراص فوق بعضها البعض، وتتماسك معا بواسطة روابط هيدروجينية بين الطبقات، مما يجعل الهيكل مستقرا وقويا للغاية.
ويقول البروفيسور سترانو: “بدلا من صنع جزيء يشبه السباغيتي، يمكننا صنع مستوى جزيئي يشبه الصفيحة، حيث نحصل على جزيئات لربط نفسها ببعضها البعض في بعدين، وتحدث هذه الآلية تلقائيا في المحلول، وبعد توليف المادة، يمكننا بسهولة تدوير الأغشية الرقيقة التي تكون قوية بشكل غير عادي”.
ونظرا لأن المادة ذاتية التجميع في المحلول، يمكن تصنيعها بكميات كبيرة ببساطة عن طريق زيادة كمية مواد البدء. وأظهر الباحثون أنه يمكنهم تغطية الأسطح بأفلام المادة، والتي يسمونها 2 دي پي أيه – 1 (2DPA-1).
ويقول البروفيسور سترانو: “مع هذا التقدم، لدينا جزيئات مستوية سيكون من الأسهل بكثير تشكيلها إلى مادة قوية جدا، ولكنها رقيقة للغاية”.
خفيف ولكنه قوي
وجد الباحثون أن معامل المرونة للمادة الجديدة – وهو مقياس لمقدار القوة التي يتطلبها تشويه المادة – أكبر بما يتراوح بين أربع وست مرات من معامل الزجاج المضاد للرصاص. كما وجدوا أيضا أن قوة الخضوع، أو مقدار القوة التي يتطلبها كسر المادة، هي ضعف قوة الفولاذ، على الرغم من أن المادة تحتوي فقط على حوالي سدس كثافة الفولاذ.
وهناك ميزة رئيسية أخرى لمادة 2دي پي أيه-1 هي أنها غير منفذة للغازات. وفي حين أن البوليمرات الأخرى مصنوعة من سلاسل ملفوفة ذات فجوات تسمح للغازات بالتسرب، فإن المادة الجديدة مصنوعة من مونومرات تقفل معا مثل ‘ليغو’ (LEGOs) [خط من ألعاب البناء البلاستيكية التي يتم تصنيعها من قبل مجموعة ليغو وهي شركة خاصة مقرها في بيلوند بدولة الدانمارك]، ولا يمكن للجزيئات أن تنتقل بينها.
ويقول البروفيسور سترانو: “قد يسمح لنا ذلك بإنشاء طلاءات رقيقة جدا يمكن أن تمنع الماء أو الغازات تماما من المرور. ويمكن استخدام هذا النوع من الطلاء الحاجز لحماية المعادن في السيارات والمركبات الأخرى، أو الهياكل الفولاذية”.
ويدرس البروفيسور سترانو وطلابه الآن بمزيد من التفصيل كيف يمكن لهذا البوليمر المعين تشكيل صفائح ثنائية الأبعاد، وهم يجربون تغيير تركيبه الجزيئي لإنشاء أنواع أخرى من المواد الجديدة.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-02-two-dimensional-polymer-lightweight-material-stronger.html
لمزيد من المعلومات: ميشيل سترانو، Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04296-3. www.nature.com/articles/s41586-021-04296-3
