ساخت مواد قوی‌تر با نانوذرات انعطاف‌پذیر

جهان صنعت نیوز، محققان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) و دانشگاه دلاوِر(Delaware) با نشان دادن اینکه مونتاژ نانوذرات نیازی به اتصالات مولکولی سفت و سخت ندارد، یک قانون بیست ساله در فناوری نانو را رد کرده‌اند.

دانشمندان پیش از این معتقد بودند که اتصالات انعطاف‌پذیر باعث می‌شوند ساختارها به بی‌نظمی تبدیل شوند، اما این تیم نشان داد که اتصالات پلیمری فوق انعطاف‌پذیر و باردار به نانوذرات اجازه می‌دهند تا خود به خود سازماندهی مجدد شوند و ساختارهای مواد قابل تنظیم و باز را تشکیل دهند. این روش مونتاژ انعطاف‌پذیر، مقیاس‌بندی مواد طراح را برای کاربردهای پزشکی، انرژی و فوتونیک آسان‌تر می‌کند.

راب مک‌فارلین(Rob Macfarlane)، استاد متالورژی در بخش علوم و مهندسی مواد MIT گفت: مردم به ابرشبکه‌های نانوذرات علاقه‌مند هستند، زیرا نوید ساخت مواد طراح را می‌دهند که در آن شما در مورد نوع ساختارهایی که واقعاً می‌توانند در آنها ساخته شوند، حرف بیشتری برای گفتن دارید.

وی افزود: این یک رویکرد جدید در مونتاژ نانوذرات است که قبلاً بررسی نشده است. داشتن ابزاری جدید که تا این حد غیرمنطقی است، هیجان‌انگیز است. این دقیقاً برعکس آن چیزی است که ۲۰ سال است وجود دارد؛ اینکه شما باید لیگاندهای رابط را سفت و سخت کنید و هرگونه انحرافی باعث شکست مونتاژ می‌شود. ما نشان دادیم که اگر آن را تا نهایت مخالف بچرخانید، به همان خوبی کار می‌کند.

لیگاندهای انعطاف‌پذیر

نانوذرات ساختارهای کوچکی هستند که تا یک میلیاردم متر طراحی شده‌اند و آنها را به بلوک‌های سازنده ایده‌آلی برای علم مواد مدرن تبدیل می‌کنند. اشکال بسیار قابل تنظیم، کاربردهایی از سیستم‌های دارورسانی گرفته تا دستگاه‌های ذخیره انرژی را ممکن می‌کنند.

با این حال، مقیاس‌بندی این اجزای کوچک به ابرشبکه‌های بزرگتر و کاربردی دشوار بوده است. تکنیک‌های مونتاژ استاندارد از مولکول‌های رابط سفت و سخت به نام لیگاند(ligand) استفاده می‌کنند. این بازوهای سفت، نانوذرات را به آرایش‌های بسیار متراکم و فشرده تبدیل می‌کنند.

فشردگی متراکم برای ساختارهای پایه کار می‌کند، اما خواص فیزیکی نانوذرات را به شدت محدود می‌کند. علاوه بر این، اشکال سفت و سخت سفارشی برای هر ماده جدید گران، شکننده و مقیاس‌پذیر نیستند.

مک‌فارلین می‌گوید: ما با خود فکر کردیم که دقیقاً برعکس عمل کنیم؛ پیوندها را آنقدر انعطاف‌پذیر کنیم که فرقی نکند در ابتدا به کدام سمت هستند. سپس لیگاندها می‌توانند با نزدیک شدن ذرات به هم، دوباره سازماندهی شوند و این سازماندهی مجدد، تعداد همسایه‌هایی را که هر ذره می‌تواند به هم متصل شود، محدود می‌کند.

سفارشی‌سازی مقیاس‌پذیر

این تیم به جای برنامه‌ریزی زاویه‌های اتصال سفت و سخت از طریق شیمی پیچیده، بازوهای پلیمری انعطاف‌پذیری را با نوک‌های باردار الکتریکی طراحی کرد. زنجیره‌های فلاپی خم می‌شوند و کشیده می‌شوند تا به شرکای نزدیک برسند، زیرا بارهای مخالف جذب می‌شوند.

با نزدیک شدن نانوذرات به هم، رابط‌های انعطاف‌پذیر به طور خودبه‌خود سازماندهی مجدد می‌شوند تا پایداری پیوند را به حداکثر برسانند. محققان می‌توانند ساختار یک شبکه را با استفاده از این رفتار خودتنظیم تنظیم کنند که تعداد همسایه‌هایی را که هر ذره به آنها متصل می‌شود، محدود می‌کند. علاوه بر این، تغییر اندازه نانوذرات، طول زنجیره لیگاند یا بارهای الکتریکی کلی، امکان کنترل کامل بر ماده حاصل را فراهم می‌کند.

محققان با موفقیت شبکه‌های کریستالی قبلاً دیده نشده را از طریق تغییر شکل مولکولی طبیعی تولید کردند. کاهش چگالی شبکه‌های نانوذرات، فرصت‌های کلیدی فناوری، از جمله کنترل دقیق نور برای فوتونیک، چارچوب‌های باز برای کاتالیز شیمیایی و هیدروژل‌های هوشمند برای دارورسانی هدفمند را ایجاد می‌کند.

این پیشرفت، درک بین کنترل نظری نانوذرات و کاربرد عملی را به هم پیوند می‌دهد. پذیرش انعطاف‌پذیری به جای سختی، به دانشمندان مواد، طرحی مقیاس‌پذیر برای طراحی مواد سفارشی از ابتدا می‌دهد.

این یافته‌ها در مجله Nature Materials به اشتراک گذاشته شده است.

منبع: ایسنا

دانش و فناوری