دانشمند ایرانی پلاستیک خودترمیم شونده‌ای قوی‌تر از فولاد ابداع کرد

به گزارش هفت گرد، دانشمندان آمریکایی یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی طراحی کرده‌اند که نه تنها مانند پوست، خود را ترمیم می‌کند، بلکه شکل اولیه خود را در اثر حرارت بازیابی می‌کند و از نظر استحکام از فولاد نیز بهتر عمل می‌کند.

به نقل از آی‌ای، این ماده قابل بازیافت جدید، یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی پیشرفته به نام «آروماتیک ترموستینگ کوپلی‌استر»(ATSP) است که توسط محققان دانشگاه تگزاس A&M و دانشگاه تولسا(Tulsa) توسعه داده شده است.

این پژوهش که توسط وزارت دفاع ایالات متحده و به رهبری دکتر محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا در تگزاس A&M تامین مالی و انجام شده است، راه را برای کاربردهای متحول‌کننده در صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی هموار می‌کند.

محمد نراقی می‌گوید: آنچه واقعاً هیجان‌انگیز است این است که این ماده نه تنها فوق‌العاده بادوام است، بلکه تطبیق‌پذیر نیز است. از ترمیم فوری در هواپیماهای آسیب‌دیده گرفته تا افزایش ایمنی مسافران در وسایل نقلیه، خواص آن برای مواد آینده و نوآوری‌های طراحی فوق‌العاده ارزشمند است.

یک راهکار خود ترمیم شونده

شیمی تبادل پیوند منحصر به فرد ATSP به اجزا این امکان را می‌دهد که تَرَک‌ها و تغییر شکل‌ها را با اعمال گرما ترمیم کنند و در نتیجه آنها را به استحکام تقریباً اولیه بازگرداند یا حتی بهبود بخشد.

به گفته نراقی، تنش شدید و دمای بالا می‌تواند منجر به آسیب‌های خطرناک مواد در کاربردهای هوافضا شود. هنگامی که این آسیب به بخش مهمی از هواپیما آسیب می‌رساند، خدمه می‌توانند از قابلیت خود ترمیم شوندگی فوری این ماده برای بازیابی عملکرد آن استفاده کنند.

این فناوری همچنین نویدبخش بهبود طراحی ایمنی در خودروها است و طبق گزارش‌ها، می‌تواند شکل خودرو را پس از تصادف بازیابی کند و مهمتر از آن، با محافظت از مسافران، ایمنی را تا حد زیادی بهبود بخشد.

این ماده قابل بازیافت است و جایگزین پایدارتری برای پلاستیک‌های سنتی است. شیمی آن در طول چرخه‌های تغییر شکل چندگانه پایدار می‌ماند و آن را به گزینه‌ای قوی برای کاهش ضایعات بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان تبدیل می‌کند.

نراقی توضیح داد: ATSPها دسته‌ای نوظهور از ویتریمرها(vitrimers) هستند که بهترین ویژگی‌های پلاستیک‌های سنتی را با هم ترکیب می‌کنند. آنها انعطاف‌پذیری ترموپلاستیک را با پایداری ترموسِت ترکیب می‌کنند. بنابراین وقتی با الیاف کربن قوی ترکیب می‌شوند، ماده‌ای به دست می‌آید که چندین برابر قوی‌تر از فولاد و در عین حال سبک‌تر از آلومینیوم است.

ویتریمرها، دسته‌ای از پلاستیک‌ها هستند که وقتی با الیاف ناپیوسته تقویت می‌شوند، می‌توانند بارها و بارها تغییر شکل داده، خرد شوند و بدون تخریب ساختار شیمیایی خود، به اشکال جدید قالب‌گیری شوند.

آزمایش این ماده جدید

محققان برای بررسی قابلیت‌های خودترمیمی و تغییر شکل ATSP، دوام چرخه‌ای آن را با کشش و رهاسازی مکرر این ماده و در عین حال اندازه‌گیری نحوه ذخیره و آزادسازی انرژی کششی آن آزمایش و دو دمای بحرانی را شناسایی کردند. اولین دمای بحرانی، دمای گذار شیشه‌ای است که در آن زنجیره‌های پلیمری آزادانه حرکت می‌کنند. دومین دمای بحرانی، دمای انجماد است که در آن پیوندها به اندازه کافی فعال می‌شوند تا امکان ترمیم، تغییر شکل و بازیابی را فراهم کنند.

محققان در طول یک آزمایش، این کامپوزیت را تا حدود ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد گرم کردند تا بازیابی شکل را آغاز کنند. نتایج نشان داد که نمونه‌های ATSP صدها چرخه تنش و گرمایش را بدون شکست تحمل کردند و در طول ترمیم بادوام‌تر شدند.

محققان در آزمایش دیگری، نمونه‌های آسیب‌دیده را پس از آزمایش تنش در معرض دمای ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد قرار دادند و پس از دو چرخه کامل ترمیم آسیب، ماده تقریباً به استحکام کامل خود بازگشت، تا اینکه در چرخه پنجم، راندمان ترمیم به دلیل خستگی مکانیکی به حدود ۸۰ درصد کاهش یافت. با این حال، پایداری شیمیایی دست نخورده باقی ماند.

نراقی می‌گوید: همانطور که پوست بدن می‌تواند کشیده شود، ترمیم شود و به شکل اولیه خود بازگردد، این ماده نیز تغییر شکل می‌دهد، ترمیم می‌شود و شکل اولیه خود را به خاطر می‌آورد و از زمانی که در ابتدا ساخته شده است، بادوام‌تر می‌شود.

نراقی معتقد است که این پیشرفت چیزی بیش از یک دسته جدید از مواد است و طرحی را برای چگونگی ایجاد پلاستیک‌هایی که علم و مشارکت‌های استراتژیک می‌توانند تکامل یافته و سازگار شوند، ارائه می‌دهد.

وی در پایان گفت: از طریق آزمون و خطا، همکاری‌ها و مشارکت‌هاست که می‌توانیم کنجکاوی هیجان‌انگیز را به کاربردهای تأثیرگذار تبدیل کنیم.

این مطالعه در مجلات Macromolecules و Journal of Composite Materials منتشر شده است.