قل وداعا لشاشات الهاتف المحطمة! حيث يطور العلماء مادة جديدة تكون خفيفة مثل البلاستيك ولكنها أقوى من الفولاذ ويصعب إتلافها، وهي ست مرات أقوى من الزجاج المضاد للرصاص.
تم إعداد المادة بواسطة خبراء بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وتتكون من طبقات من الأقراص الجزيئية الدقيقة التي تتكدس من أجل تشكيل الصفائح وكل طبقة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية، مما يجعلها قوية وخفيفة الوزن.
كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنه من المستحيل إنتاج بوليمرات ثنائية الأبعاد مثل هذه، ولكن باتت الوصلات الخاصة بين كل قرص تمنع الالتواء إلى جانب الطلاءات الواقية، وبالتالي يمكن استخدام المواد في البناء.
والنتيجة، يمكن قريبًا استخدام مادة خفيفة مثل البلاستيك لكنها أقوى من الفولاذ وأقل ضررًا بـ4-6 مرات من الزجاج المضاد للرصاص لحماية شاشات الهواتف الذكية.
ويمكن بعد ذلك تصنيعها في مكونات ثلاثية الأبعاد مثل زجاجات المياه، عن طريق القولبة بالحقن. كما نجح الباحثون في تصميم مادة تتجمع ذاتيًا بدلاً من ذلك في صفائح ثنائية الأبعاد.
تتراكم هذه الألواح ، التي يطلق عليها اسم polyaramides ، فوق بعضها ا ويتم تثبيتها معًا بواسطة روابط هيدروجينية قوية، مما يجعل المادة الكلية قوية للغاية. وإلى جانب تعزيز أغلفة الهاتف ، يمكن أيضًا استخدام البوليمر كطلاء واقي على أجزاء السيارة ، أو كمواد بناء كبيرة الحجم.
قال البروفيسور مايكل سترانو ، الذي قاد الدراسة: “لا نفكر عادةً في البلاستيك على أنه شيء يمكنك استخدامه لدعم مبنى، ولكن باستخدام هذه المادة، يمكنك تطوير أشياء جديدة، لها خصائص غير عادية للغاية ونحن متحمسون جدًا لذلك.”
ساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن البوليمرات المكونة من صفائح ثنائية الأبعاد يمكن استخدامها لصنع مواد خفيفة الوزن للغاية. ولكن وبعد فترات طويلة من التحقيق البحث وصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن هذا الأمر مستحيل، بسبب المستوى المتنامي للورقة حتى يفقد كل شيء الشكل والمتانة المطلوبين.
للتغلب على هذه المشكلة، استخدم الباحثون مركبًا يسمى الميلامين، والذي يتكون من حلقات من الكربون والنيتروجين، ويستخدم بشكل شائع في صناعة أدوات المائدة البلاستيكية.
وجد الفريق أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن استخدام المونومرات في الميلامين لتنمية أقراص صغيرة ثنائية الأبعاد تتراكم فوق بعضها البعض، مع كل طبقة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية، مما يجعلها قوية ومستقرة للغاية.
قال البروفيسور سترانو: “بدلاً من صنع جزيء يشبه السباغيتي، يمكننا صنع مستوي جزيئي يشبه الصفيحة، حيث نحصل على الجزيئات لربط نفسها معًا في بعدين”. تحتوي المادة على “معامل مرن” وهو مقياس للقوة المطلوبة لتكوين جسم ما وهو أكبر بأربع إلى ست مرات من الزجاج المضاد للرصاص.
وفي الوقت نفسه، القوة المطلوبة لكسر البوليمر، والمعروفة باسم قوة الخضوع، هي ضعف قوة الفولاذ، على الرغم من أنها لا تزيد عن سدس كثافة المعدن. ونظرًا لأن المادة تتجمع ذاتيًا، يمكن إنتاجها بسهولة بكميات أكبر فقط عن طريق زيادة كميات مكونات البداية، وفقًا للفريق.
قال البروفيسور سترانو: “مع هذا التقدم ، لدينا جزيئات مستوية سيكون من الأسهل بكثير تصميمها في مادة قوية جدًا ولكنها رقيقة للغاية”.
تُعرف المادة الجديدة ، التي تسمى 2DPA-1 ، باسم فيلم بولياراميد ، ويمكن استخدامها لتغليف المواد الأخرى. وعلى عكس البوليمرات الأخرى، التي تترك سلاسلها الملتفة من المونومرات فجوات بينها تسمح للغازات بالتسرب من خلالها ، فإن مونومرات 2DPA-1 تقفل معًا بإحكام مثل طوب LEGO، مما يجعلها غير منفذة تمامًا.
أوضح البروفيسور سترانو: “يمكن أن يسمح لنا ذلك بإنشاء طبقات رقيقة جدًا يمكن أن تمنع الماء أو الغازات تمامًا من العبور”. يمكن استخدام هذا النوع من طلاء الحاجز لحماية المعادن في السيارات والمركبات الأخرى أو الهياكل الفولاذية.
وقدم الباحثون براءتي اختراع بشأن عملية إنشاء مادتهم الجديدة. ويبحث الفريق الآن بالضبط في كيفية قدرة البوليمر الخاص بهم على تكوين صفائح ثنائية الأبعاد، من أجل معرفة ما إذا كان بإمكانهم تصميم أنواع أخرى من المواد الجديدة والمفيدة.
نُشرت النتائج الكاملة للدراسة في مجلة Nature.
