سايت تبليغات علفو پلاس

تيمي از شيميدانان از MIT و دانشگاه دوك يك راه غيرمستقيم براي قوي‌تر كردن پليمرها كشف كرده‌اند: چند پيوند ضعيف‌تر به مواد وارد كنند.

محققان با كار با نوعي پليمر به نام الاستومرهاي پلي آكريلات دريافتند كه مي توانند مقاومت مواد در برابر پارگي را تا 10 برابر افزايش دهند، به سادگي با استفاده از نوع ضعيف تر اتصال دهنده براي اتصال برخي از بلوك هاي ساختماني پليمري.

اين پليمرهاي لاستيكي مانند معمولاً در قطعات خودرو استفاده مي شوند و همچنين اغلب به عنوان جوهر براي اشياء چاپ شده با چاپ سه بعدي استفاده مي شوند. محققان اكنون در حال بررسي گسترش احتمالي اين رويكرد به انواع ديگر مواد مانند تايرهاي لاستيكي هستند.

جرميا جانسون، استاد شيمي در MIT و مي‌گويد: «اگر مي‌توانيد يك تاير لاستيكي را 10 برابر در برابر پارگي مقاوم‌تر كنيد، اين مي‌تواند تأثير چشمگيري بر طول عمر لاستيك و ميزان ضايعات ميكروپلاستيكي كه جدا مي‌شود داشته باشد. يكي از نويسندگان ارشد اين مطالعه، كه امروز در Science ظاهر مي شود .

مزيت قابل توجه اين روش اين است كه به نظر نمي رسد هيچ يك از خواص فيزيكي ديگر پليمرها را تغيير دهد.

مهندسان پليمر مي‌دانند كه چگونه مواد را سخت‌تر كنند، اما هميشه شامل تغيير برخي ويژگي‌هاي ديگر مواد است كه شما نمي‌خواهيد تغيير دهيد. در اينجا، افزايش چقرمگي بدون هيچ تغيير قابل توجه ديگري در خواص فيزيكي - حداقل آن چيزي كه ما بتوانيم اندازه گيري كنيم - حاصل مي شود و تنها از طريق جايگزيني بخش كوچكي از مواد كلي حاصل مي شود. دانشگاه دوك كه همچنين نويسنده ارشد مقاله است.

اين پروژه از همكاري ديرينه جانسون، كريگ و پروفسور دانشگاه دوك، مايكل روبينشتاين، كه نويسنده ارشد مقاله نيز هست، شكل گرفت. نويسنده اصلي مقاله، شو وانگ، يك فوق دكتراي MIT است كه دكتراي خود را در دوك به دست آورده است.

ضعيف ترين حلقه

الاستومرهاي پلي‌اكريلات شبكه‌هاي پليمري هستند كه از رشته‌هاي آكريلات ساخته شده‌اند كه توسط مولكول‌ها به هم متصل مي‌شوند. اين بلوك‌هاي ساختماني را مي‌توان به روش‌هاي مختلف به يكديگر متصل كرد تا موادي با خواص متفاوت ايجاد كنند.

يكي از معماري هايي كه اغلب براي اين پليمرها استفاده مي شود شبكه پليمري ستاره اي است. اين پليمرها از دو نوع بلوك ساختماني ساخته مي‌شوند: يكي، ستاره‌اي با چهار بازوي يكسان، و ديگري زنجيره‌اي كه به‌عنوان يك رابط عمل مي‌كند. اين اتصال دهنده ها به انتهاي هر بازوي ستاره ها متصل مي شوند و شبكه اي شبيه تور واليبال ايجاد مي كنند.

در يك مطالعه در سال 2021، كريگ، روبينشتاين و پروفسور MIT بردلي اولسن براي اندازه گيري استحكام اين پليمرها با يكديگر همكاري كردند. همانطور كه انتظار داشتند، آنها دريافتند كه وقتي از اتصال دهنده هاي انتهايي ضعيف تري براي نگه داشتن رشته هاي پليمري در كنار هم استفاده مي شود، ماده ضعيف تر مي شود. آن پيوندهاي ضعيف‌تر، كه حاوي مولكول‌هاي حلقوي به نام سيكلوبوتان هستند، مي‌توانند با نيروي بسيار كمتري نسبت به پيوندهايي كه معمولاً براي اتصال به اين بلوك‌هاي ساختماني استفاده مي‌شوند، شكسته شوند.

در ادامه آن مطالعه، محققان تصميم گرفتند نوع متفاوتي از شبكه پليمري را بررسي كنند كه در آن رشته‌هاي پليمري به جاي اتصال در انتها، به رشته‌هاي ديگر در مكان‌هاي تصادفي متصل مي‌شوند. 

اين بار، هنگامي كه محققان از اتصال دهنده هاي ضعيف تري براي اتصال بلوك هاي ساختماني آكريلات به يكديگر استفاده كردند، دريافتند كه اين ماده در برابر پاره شدن بسيار مقاوم تر شده است.

محققان بر اين باورند كه اين اتفاق مي‌افتد، زيرا پيوندهاي ضعيف‌تر به‌جاي اينكه بخشي از خود رشته‌هاي نهايي باشند، به‌صورت تصادفي بين رشته‌هاي قوي‌تر در سراسر ماده توزيع مي‌شوند. هنگامي كه اين ماده تا نقطه شكست كشيده مي شود، هر تركي كه در ماده منتشر مي شود سعي مي كند از پيوندهاي قوي تر جلوگيري كند و به جاي آن از پيوندهاي ضعيف تر عبور كند. اين به اين معني است كه ترك بايد پيوندهاي بيشتري را نسبت به زماني كه همه پيوندها داراي استحكام يكساني بودند بشكند.

جانسون مي‌گويد: «اگرچه اين پيوندها ضعيف‌تر هستند، اما تعداد بيشتري از آنها در نهايت نياز به شكستن دارند، زيرا شكاف مسيري را از ضعيف‌ترين پيوندها طي مي‌كند كه در نهايت مسير طولاني‌تري است».

مواد سخت

با استفاده از اين رويكرد، محققان نشان دادند كه پلي‌اكريلات‌هايي كه داراي پيوندهاي ضعيف‌تر بودند، 9 تا 10 برابر سخت‌تر از پلي‌اكريلات‌هاي ساخته‌شده با مولكول‌هاي اتصال عرضي قوي‌تر پاره مي‌شوند. اين اثر حتي زماني به دست آمد كه پيوندهاي عرضي ضعيف تنها حدود 2 درصد از تركيب كلي ماده را تشكيل مي دادند.

محققان همچنين نشان دادند كه اين تركيب تغييريافته هيچ يك از خواص ديگر مواد مانند مقاومت در برابر شكستن در هنگام گرم شدن را تغيير نداد.

جانسون مي‌گويد: «ساختار و خواص يكسان دو ماده در سطح شبكه، اما تفاوت تقريباً بزرگي در پارگي داشته باشند، بسيار نادر است.

محققان اكنون در حال بررسي هستند كه آيا اين رويكرد مي تواند براي بهبود چقرمگي مواد ديگر از جمله لاستيك مورد استفاده قرار گيرد يا خير.

كريگ مي‌گويد: «در اينجا چيزهاي زيادي براي بررسي در مورد اينكه چه سطحي از پيشرفت را مي‌توان در انواع ديگر مواد به دست آورد و بهترين استفاده از آن را بررسي كرد.

كار اين گروه بر روي استحكام پليمري بخشي از يك مركز سرمايه گذاري شده توسط بنياد ملي علوم به نام مركز شيمي شبكه هاي بهينه مولكولي است . ماموريت اين مركز كه توسط كريگ هدايت مي شود، بررسي چگونگي تاثير خواص اجزاي مولكولي شبكه هاي پليمري بر رفتار فيزيكي شبكه ها است.